EFEK DOPAN Mn PADA STRUKTUR, SIFAT OPTIK, DAN KEMAGNETAN ZnO DISINTESIS DENGAN METODE KOPRESIPITASI

  EFEK DOPAN Mn PADA EFEK DOPAN Mn PADA STRUKTUR, SIFAT OPTIK, DAN STRUKTUR, SIFAT OPTIK, DAN KEMAGNETAN ZnO DISINTESIS KEMAGNETAN ZnO DISINTESIS

DENGAN METODE KOPRESIPITASI DENGAN METODE KOPRESIPITASI

PELANGI EKA YUWITA LOGO

LOGO Contents PENDAHULUAN

  1 KAJIAN PUSTAKA

  2 METODE PENELITIAN

  3 HASIL DAN PEMBAHASAN

  4 KESIMPULAN DAN SARAN

  5

LOGO LATAR BELAKANG

  v N anopa rt ik el Seng Oksida banya k dikem bangk an dalam

bidang t eknologi nano k arena m em ilki sifat m ek anik,

elekt rik, dan opt ik yang dapat dia plik a sikan diant aranya

unt uk sel surya, k at a lis, filim t ipis pelindung UV, sensor

gas, dll. v Pa da penelit ian sebelum nya nanopa rt ikel seng oksida

m em ilik i banyak ca ra unt uk m ensint esisnya diant a ranya

dengan m et ode k im iaw i basah, sol gel, spray pyrolisis,

ph y sica l v a por de posit ion , solvot e r m a l, dan h y dr ot h e r m a l ( Su l Le e e t a l., 2 0 0 8 ) .

  LOGO Penelitian sebelumnya

  (Chang chun dkk, 2008) ZnO disintesis dengan direct coprecipitation

LOGO DMS

  v D ilu t e d M a gn e t ik Se m icon du ct or s ( D M S) ba n y a k m enarik perhat ian penelit i karena pot ensi aplikasinya pada perangkat spint ronik, diant aranya sebagai spin- valve t ransist or, spin light - em it ing diode, m em ori yang t idak m udah m enguap, isolat or opt ik, dan sebagainya.

  LOGO

  (Ying liu, 2009) Mn-doped ZnO thin films disintesis dengan sol gel

LOGO

  v Diant ara m et ode unt uk m ensint esis nanopa rt ikel m et ode kopresipit asi m erupa kan m et ode ya ng efekt if digunak an ka rena k opresipit asi m erupak an m et ode yang m enggunak a n suhu rendah da lam prosesnya sert a da pat m enghasilkan ukuran part ikel yang kecil pada Solid St at e. v Da ri lat a r bela kang t ersebut sehingga a kan dilakukan penelit ian dengan j udul “EFEK DOPAN Mn PADA STRUKTUR, SI FAT OPTI K, DAN KEMAGN ETAN ZnO DI SI N TESI S DEN GAN METODE KOPRESI PI TASI ”

LOGO Rumusan Masalah

  1 Bagaimana cara mensintesis nanopartikel Zn 1- x Mn x O dengan metode kopresipitasi ?

  4 Bagaimana pengaruh variasi dopan Mn terhadap sifat kemagnetan nanopartikel Zn 1- x Mn x O (x = 0, 0,01, 0,02, 0,03) ?

  3 Bagaimana pengaruh variasi dopan Mn terhadap sifat optik nanopartikel Zn 1- x Mn x O (x = 0, 0,01, 0,02, 0,03) ?

  2 Bagaimana pengaruh variasi dopan Mn terhadap struktur kristal nanopartikel Zn 1- x Mn x O (x = 0, 0,01, 0,02, 0,03) ?

LOGO Tuj uan Penelit ian

  v

Pada penelit ian ini, perm asalahan dibat asi pada pem bent ukan m at erial nanopart ik el Zn 1 - x Mn x O m elalui m et ode k opresipit asi sert a k arak t erisasi st rukt ur, sifat opt ik dan k em agnet annya t erhadap pengaruh variasi k om posisi doping Mn pada nanopart ik el Zn 1 - x Mn x O. Bat asan Masalah

  v Pada penelit ian ini, perm asalahan dibat asi pada pem bent ukan m at erial nanopart ik el Zn 1 - x Mn x O m elalui m et ode k opresipit asi sert a k arak t erisasi st rukt ur, sifat opt ik dan k em agnet annya t erhadap pengaruh variasi k om posisi doping Mn pada nanopart ik el Zn 1 - x Mn x O

  LOGO KAJI AN PUSTAKA

LOGO Senyawa ZnO

  

v Dalam ilm u m at erial, ZnO adalah sem ikondukt or dengan besar energi

gap 3 ,3 eV dari golongan unsur pada t abel periodik I I - VI kelom pok

sem ikondukt or. v

  Seng oksida m engkrist al dalam t iga bent uk : w urt zit e heksagonal, zin cble n de k u bik , da n j a r a n g dia m a t i k u bik r ock sa lt .

  LOGO Karakterisasi ZnO Rumus molekul ZnO Massa molar (berat molekul) 81,408 gram/mol Penampilan Putih solid Bau tanpa bau Kepadtan 5,606 gram/cm Titik Lebur (melting point) 1975 C Titik didih (boiling point) 2360 C Kelarutan dalam air 0,16 mg/100 Ml Band gap 3,3 Ev Indeks bias 2,0041

LOGO Nanopartikel ZnO

N anopart ikel Seng Oksida banyak dikem bangkan dalam bidang t eknologi nano karena m em ilki sifat m ekanik, elekt rik, dan opt ik yang dapat diaplikasikan diant aranya unt uk sel surya, kat alis, filim tipis pelindung UV, sensor gas, dll

  v

Beberapa m et ode yang dilakukan unt uk m endapat kan nanopart ikel ZnO yait u dekom posisi t erm al

  v

  ch e m ica l va por de posit ion, sol ge l,

  spray pyrolisis, dan presipit asi m asih dikem bangkan unt uk fabrikasi ZnO nanopart ikel dengan m orfologi dan ukuran yang seragam ( Chang Chun Chen. 2 0 0 8 )

LOGO

  Diluted Magnetic Semiconductor v DMS adalah sem ik ondukt or non- m agnet ik yang m em ilik i beberapa persen elem en m agnet ik , bia sanya t ransisi- logam ( TM ) dan sifat ferrom agnet ik pada t em perat ur ruang yang banyak diharapk an v baru baru ini dit e m uk an

Gambar 2.3. Skema (A) Magnetik Semikonduktor (B) Non- penelit ia n t ent a ng bahan Magnetik Semikonduktor (C) Diluted Magnetik Semikonduktor sem ik ondukt or ok sida yang didoping dengan logam t ransisi unt uk m endapat k an DMS

LOGO Metode Kopresipitasi

  v Met ode k opresipit asi m erupak an salah sat u m et ode sint esis senyaw a anorganik yang didasark an pada pengendapan lebih dari sat u subst ansi secara bersam a– sam a k et ik a m elew at i t it ik j enuh. v Met ode yang dilak uk an adalah dengan t ahap pelarut an, pengendapan, penyaringan, pencucian dengan aquades dan pengeringan.

LOGO Dopan Mangan Sim bol Mn

  Nom or at om

  25 Massa j enis 7,21 g/ cm 3 Tit ik lebur 1519º C Tit ik didih 2061º C St rukt ur krist al bcc Sifat m agnet ik Param agnet ik, 5µB Bilangan oksida 7+ , 6+ , 5+ , 4+ , 3+ ,

  2+ , 1+ , 1- , 2- , 3-

  LOGO Diamagnetik, Paramagnetik, Ferromagnetik

  LOGO

  Bahan ferromagnetik Bahan diamagnetik adalah Bahan paramagnetik adalah bahan yang bahan yang resultan adalah bahan yang mempunyai resultan medan magnet atomis resultan medan magnet medan atomis besar masing-masing atom atau atomis masing-masing (Halliday & Resnick, 1989). molekulnya nol, tetapi atom/molekulnya tidak orbit dan spinnya tidak nol nol, tetapi resultan medan (Halliday & Resnick, 1989). magnet atomis total seluruh atom/molekul dalam bahan nol (Halliday & Resnick, 1989).

  LOGO

LOGO Alat dan Bahan Alat

Bahan

  a. Neraca digital dengan deviasi 0,0001 g

  a. Zinc Acetat Dyhidrat Merck (99% PA)

  b. Gelas ukur Phyrex 25mL

  b. Serbuk Mn Merck (99% PA)

  c. Beaker glass Phyrex 100mL

  c. Pelarut HCl 37%

  d. Cawan Petri d. Agen pengendap NH OH

  4

  e. Hot plate dan magnetic stirrer

  e. Aquades

  f. Spatula (stainless stell dan kaca)

  f. Alkohol 96% g. pipet buatan Indonesia.

  h. Furnace deviasi RHF 1400 i. Termometer, deviasi 1ºC j. Aluminium foil k. Kertas tisu l. Krusibel 15ml, 20ml,dan 30ml m. Kertas saring whattman 42

  LOGO Peralatan Karakterisasi DSC-TGA

LOGO Perangkat Lunak Untuk Analisis Data

  v Software Match! untuk analisis kualitatif v Software MAUD dan Rietica untuk analisis kuantitatif v Microcal Origin untuk penampilan semua grafik analisis data.

  LOGO a b d c e f

LOGO Reaksi Kimia

  v proses pelarut an serbuk Zinc Acet at e Dyhidrat e dan serbuk Mn ( x= 0 ,0 0 , 0 ,0 1 , 0 ,0 2 , 0 ,0 3 ) dilakukan dengan pelarut berupa asam klorida

Unt uk sint esis Zn Mn O dengan Mn ( x = 0 ,0 0 ) at au sint esis ZnO

  1 - x x

Zn( CH COO) .2 H O + 2 HCl ZnCl + 2 CH COOH + 2 H O

  3

  2 2 ( s) ( l) 2 ( l) 3 ( l) 2 ( l)

Unt uk sint esis Zn Mn O dengan Mn ( x = 0 ,0 1 , 0 ,0 2 , 0 ,0 3 )

  1 - x x

Zn( CH COO) .2 H O + 4 HCl ZnCl + MnCl + 2 CH COOH

  3

  2

2 ( s) ( l) ) 2 ( l) 2 ( l)

3 ( l)

• + Mn
• + 2 H O + H

  ( s) 2 ( l) 2 ( g)

LOGO

  v penam bahan agen pengendap berupa basa N H

  4 OH ke dalam larut an Unt uk sint esis Zn 1 - x Mn x O dengan Mn ( x = 0 ,0 0 ) at au sint esis ZnO

ZnCl

• + 2 CH
• + 2 H

Zn( OH)

• + 2 N H

  2 ( l)

  3 COOH ( l)

  2 ( l)

  4 Cl ( l)

• + 2 N H
• + 2 CH
• + H

  4 OH ( l)

  3 COOH ( l)

  2 O ( l) Unt uk sint esis Zn 1 - x Mn x O dengan Mn ( x = 0 ,0 1 , 0 ,0 2 , 0 ,0 3 )

  2 O ( l)

ZnCl

• + MnCl
• + 2 CH3 COOH

ZnMn( OH)

• + 4 N H
• + 2 H
• + H
• + 4 N H
• + 2 CH
• + 4 H

  4 Cl ( l)

  2 O ( l)

  2 ( g)

  4 OH ( l)

  3 COOH ( l)

  2 O ( l)

  2 ( l)

  ( l)

  2 ( l)

  2 ( l)

LOGO - 2 +

  v Koloid akan t erbent uk ket ika Zn dan OH pada ZnO dan ket ika 2 + 2 +

Zn , Mn dan OH pada Zn Mn O m encapai angka krit ikal larut an

• - 1 - x x dengan persam aan reaksi sebagai berikut :

Unt uk sint esis Zn Mn O dengan Mn ( x = 0 ,0 0 ) at au sint esis ZnO

  1 - x x 2 + -

Zn + 2 OH Zn( OH)

  2 ( l)

Unt uk sint esis Zn Mn O dengan Mn ( x = 0 ,0 1 , 0 ,0 2 , 0 ,0 3 )

  1 - x x - 2 + 2 +

Zn + Mn + 2 OH ZnMn( OH)

  2 ( l) v

Selanj ut nya Zn( OH) dan ZnMn( OH) hasil reaksi akan bereaksi

  2

  2 dengan m olekul air

Unt uk sint esis Zn Mn O dengan Mn ( x = 0 ,0 0 ) at au sint esis ZnO

  1 - x x + 2 -

Zn( OH) + 2 H O Zn( OH) + 2 H

  2

  2

  4 2 -

• -

  4

Zn( OH) ZnO+ H O+ 2 OH

• + 2

ZnMn( OH) + 2 H O ZnMn( OH) + 2 H

  2

  4 - 2 -

ZnMn( OH) ZnMnO + H O + 2 OH

  4

  2

  LOGO H ASI L & PEMBAH ASAN

  LOGO Hasil Uji DSC-TGA Kurva TGA-DTA prekursor ZnO

LOGO Pola difraksi XRD Zn 1-x Mn x O sebelum Dilakukan Kalsinasi N o. Posisi [ ° 2 Thet a] Bidang Krist al ( hkl)

  1 31,59 ( 100)

  2 34,29 ( 002)

  3 36,08 ( 101)

  4 47,40 ( 102)

  5 56,39 ( 110)

  6 62,70 ( 103) 7 66,19 ( 200)

  8 67,77 ( 112)

  9 68,98 ( 201) Posisi 2 theta dari puncak difraksi zincite-ZnO

  Impuritas (yang bertanda *) tersebut dari hasil pencocokan menggunakan software match! Sesuai dengan data PDF (Powder Diffraction File) 00-074-0413 yaitu fasa Hydroxyl Ammonium Chloride (NH

  3 OHCl). Persentase fasa antara ZnO dan NH

  3 OHCl adalah 87,3% : 12,7%.

Pola difraksi Zn Mn O (x = 0, 0,01, 0,02, 0,03) 1-x x

LOGO setelah Kalsinasi

  Dari pola difraksi yang dihasilkan pada grafik ZnO yang didoping Mn x= 0,03 terdapat adanya fasa baru yang terbentuk (yang bertanda *) puncak-puncak tersebut sesuai dengan data PDF

  (Powder Diffraction File)

  00-028-1468 yaitu fasa ZnMnO

  3

LOGO Parameter Kisi

  v hasil analisis param et er kisi sam pel Zn Mn O m enggunakan 1 - x x Rie t ica . x = 0 ,0 0 x = 0 ,0 1 x= 0 ,0 2 x = 0 ,0 3 Param et er Kisi a= b ( Å) 3,2478 3,2494 3,2509 3,2449 c ( Å)

  5,1995 5,1998 5,2056 5,1863 o α = β ( )

  90

  90

  90

  90 o ( )

  γ 120 120 120 120 Vol. cell 47,4981 47,5488 47,6452 47,2947

LOGO Analisis Ukuran Kristal dengan MAUD 2+

  Nilai ukuran kristal Zn Mn O untuk variasi komposisi dopan ion Mn

  1-x x Kom posisi dopan 2 + N o M n ( x) Ukuran Krist al ( Å)

  1 0,00 612,15

  2 0,01 514,60

  3 0,02 477,99

  4 0,03 ZnO = 252,89 0,03 ZnMnO = 907,07 ₃ Grafik Hubungan antara Variasi Doping

  2+

  Mn dengan Ukuran Kristal

  LOGO Hasil Pengujian Sampel dengan SEM Hasil uji SEM Zn Mn O 1-x x dengan komposisi dopan ion 2+ Mn (a) x=0,00 (b) x=0,01 (c) x=0,02 (d) x=0,03 dengan perbesaran 27.500 kali Dari hasil SEM menunjukkan bahwa morfologinya berbentuk nanowire dan dengan semakin banyak komposisi doping Mn yang diberikan, morfologi yang dihasilkan semakin halus.

  Karakterisasi Optik dengan Menggunakan LOGO Spektrofotometer UV-Vis

  Perubahan intensitas absorbansi terjadi pada Pada gambar dapat diketahui bahwa nilai rentang panjang gelombang 250-400 nm. energi gap (Eg) dari masing-masing sampel menurun dari 3,30 eV sampai 3,05 eV seiring dengan meningkatnya konsentrasi Mn sebagai atom dopant.

LOGO N o Kom posisi dopan M n 2 + ( x) Energi Gap ( eV)

  1 0,00 3,30

  2 0,01 3,20

  3 0,02 3,15

  4 0,03 3,05

  Energi Gap Zn

  1-x

  Mn

  x

  O untuk variasi komposisi dopan ion Mn

  2+

  Grafik Hubungan antara Variasi Doping Mn

  2+

  dengan Energi Gap (eV)

LOGO Sifat Magnetik Zn Mn O (x = 0, 0,01, 0,02, 0,03) 1-x x

  Kurva Magnetisasi sebagai fungsi medan magnet (magnetik hysteresis

loops) dari sampel Zn Mn O nanopartikel variasi Mn dopant yang diukur

  1-x x pada temperatur ruang

  LOGO Ferrom agnet ik Dopan Mn x= 0 ,0 3 Superparam agnet ik Dopan Mn x= 0 ,0 2 Diam agnet ik Dopan Mn x= 0 ,0 1 Param agnet ik lem ah Dopan Mn x= 0 ,0 0

LOGO Paramagnetik Lemah

• ZnO tanpa doping memiliki sifat diamagnetik. Sifat paramagnetik lemah ini muncul

  Menurut (Omri dkk,2013) pada dasarnya

• dimungkinkan karena adanya kecacatan intrinsik pada ZnO yang berupa kekosongan oksigen.

LOGO Diamagnetik

• tidak mempunyai elektron bebas dan sebagian besar saling berpasangan. Hal ini bisa terjadi dimungkinkan terjadi karena sifat atom Zn pada dasarnya berupa diamegnetik. penelitian yang dilakukan oleh (K. Omri dkk, 2013) yang

  Sifat diamagnet disebabkan karena atom pada orbitalnya

• menduga bahwa pada sampelnya ZnO:Mn menghasilkan

  1% sifat diamegnetik.

LOGO Superparamagnetik

• menyerupai sifat paramagnetik, hanya nilai koersifitasnya mendekati nol. Pada penelitian (Mera dkk, 2010) yang menduga

  Superparamagnetik memiliki sifat magnetnya

• bahwa fase paramagnetik pada sampelnya dikarenakan adanya formasi Mn cluster sebagai akibat dari kecilnya solubilitas dari Mn pada ZnO.

LOGO Ferromagnetik

• ferromagnetik dari sampelnya merupakan hasil ferromagnetic exchange pada diluted ferromagnetik oksida yang memungkinkan termediasi oleh shallow donor elektron. Di lain sisi kecacatan intrinsik seperti

  (Coey dkk,2013) menjelaskan bahwa sifat

• kekosongan oksigen dan intersisi Zn juga merupakan asumsi sementara yang menyebabkan suatu material mempunyai sifat ferromagnetik.

  LOGO KESI MPULAN & SARAN

LOGO Kesimpulan 2 + 1 . Peningkat an dopan ion Mn pada N anopart ikel Zn Mn O 1 - x x m eningkat kan param et er kisi a, b, dan c. Sehingga volum e sel sat uanpun j uga m eningkat seiring penam bahan doping. Hal ini 2 + t erj adi karena j ari- j ari ion Mn lebih besar daripada j ari- j ari ion 2 + Zn . N am un ukuran krist al Zn Mn O m enurun seiring dengan

  

1 - x x

2 + peningkat an dopan ion Mn . 2 + 2 . Peningkat an dopan ion Mn pada nanopart ikel Zn Mn O 1 - x x m enurunkan energi gap ( Eg) Zn Mn O. 1 - x x 3 . Ket ika Mn didopingk an pada ZnO m enghasilkan kurva m agnet isasi yang berbeda- beda pada m asing- m asing kom posisi pendoping.

  

Pada dopan x= 0 ,0 0 grafik m enunj ukkan sifat param agnet ik lem ah,

dopan x= 0 ,0 1 grafik m enunj ukkan sifat diam agnet ik, dopan x= 0 ,0 2 grafik m enunj ukkan sifat superparam agnet ik, dan dopan x= 0 ,0 3 grafik m enunj ukkan sifat ferrom agnet ik. 4 . Berdasarkan hasil penguj ian SEM dapat diket ahui bahw a bent uk

m orfologi dari part ikel Zn Mn O yait u nano w ire dan dit unj ukkan

  1 - x x bahw a dengan sem akin banyak kom posisi doping Mn yang

diberik an, m orfologi yang dihasilkan sem akin halus. Hal ini karena

ukuran part ikel Zn Mn O sem akin kecil dengan bert am bahnya

  1 - x x

LOGO Saran

  v Perlu dilak uk an penelit ian lebih lanj ut unt uk m enghasilk an dat a yang lebih m ak sim al. Terut am a pada sifat m agnet ik perlu dik aj i lebih dalam lagi. Karena sifat m agnet ik pada set iap penelit i m enghasilk an dat a yang berbeda- beda dengan m et ode yang berbeda pula.

  I N S T I T U T T E K N O L O G I S E P U L U H N O P E M B E R