D:\MASTER JUSAMI YANG SUDAH LEN - Batan

Pengaruh Prekusor Non Stoikiometris Terhadap Pembentukan Fasa Superkonduktor YBCO dan Pengaruh Doping Ca Terhadap
Struktur Kristal Superkonduktor YBCO (Engkir Sukirman)
Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007
Tanggal 26 Juni 2007
PENGARUH PREKURSOR NON STOIKIOMETRIS
TERHADAP PEMBENTUKAN FASA SUPERKONDUKTOR
YBCO DAN PENGARUH DOPING Ca TERHADAP
STRUKTUR KRISTAL SUPERKONDUKTOR YBCO
ABSTRAK
Engkir Sukirman,Yustinus P., WisnuA.A. dan Didin S. Winatapura
1
Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) - BATAN
Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang
PENGARUH PREKURSOR NON STOIKIOMETRIS TERHADAP PEMBENTUKAN FASA
SUPERKONDUKTOR YBCO DAN PENGARUH DOPING Ca TERHADAP STRUKTUR KRISTAL
SUPERKONDUKTOR YBCO. Pengaruh prekursor non stoikiometris terhadap pembentukan fasa
superkonduktor YBCO dan pengaruh doping Ca terhadap struktur kristal superkonduktor YBCO telah diteliti
Dalam penelitian ini disintesis empat jenis cuplikan YBCO dengan metode reaksi padatan dari bahan baku
serbuk Y 2
O 3
, BaCO 3
, CaCO 3
dan CuO. Stoikiometri prekursor keempat jenis cuplikan adalah
Y 1,80
Ba 2,40
Cu 3,400
O 7-x
, (Y 0,95
Ca 0,05
)Ba 1,595
Cu 2,405
O 7-x
, (Y 0,80
Ca 0,20
)Ba 2,000
Cu 3,000
O 7-x
, dan YBa 2
Cu 3
O 7-x
. Cuplikan
dikalsinasi pada T k
= 900 0 C selama 5 jam, kemudian dikarakterisasi dengan teknik difraksi sinar-X. Serbuk
YBCO hasil kalsinasi dipelet, kemudian disinter pada T s
= 940ºC selama 10 jam. Cuplikan hasil sinter dikarakterisasi
dengan teknik difraksi sinar-X, dan efek Meissner. Data-data difraksi sinar-X dianalisis dengan metode Rietveld.
Hasil analisis menunjukkan bahwa fasa 123 dan fasa 211 lebih mudah terbentuk jika digunakan prekursor YBCO
non stoikiometris. Jika digunakan prekursor stoikiometris, fasa 123 baru terbentuk sempurna setelah proses
sintering dan tidak disertai fasa 211. Pendopingan prekursor YBCO non stoikiometris dengan 0,05 mol Ca,
menyebabkan atom-atom kalsium masuk ke dalam struktur kristal fasa 123 menggantikan sebagian atom-atom
Y, dan tidak terjadi transisi fasa. Namun manakala prekursor didoping dengan 0,2 mol Ca, struktur fasa 123
berubah dari ortorombik menjadi tetragonal. Dengan prekursor (Y 0,95
Ca 0,05
)Ba 1,595
Cu 2,405
O 7-x
dapat ditumbuhkan
fasa 123 dan fasa 211, dimana perbandingan kuantitas kedua fasa tersebut mendekati ideal (75 % : 25 %), juga
dihasilkan fasa 123 yang memiliki panjang ikatan Cu(2)-O(3) paling pendek. Dikonfirmasi bahwa efek Meissner
superkonduktor YBCO peka terhadap jumlah mol atom O, tetapi tidak peka terhadap jumlah mol atom-atom
logam Y, Ba, dan Cu.
Kata kunci : Prekursor YBCO non stoikiometris, Doping Ca, Struktur kristal
ABSTRACT
INFLUENCE OF THE OFF STOICHIOMETRIC PRECURSOR TO THE FORMATION OF
THE YBCO SUPERCONDUCTOR PHASE AND INFLUENCE OF Ca DOPING TO THE CRYSTAL
STRUCTURE OF YBCO SUPERCONDUCTOR. Influence of the off stoichiometric precursor to the
formation of the YBCO superconductor phase and influence of Ca doping to the crystal structure of YBCO
superconductor have been investigated. In this research it were synthesized four type of YBCO samples with
solid state reaction method from the powdered raw material of Y 2
O 3
, BaCO 3
, CaCO 3
and CuO. The fourth
type of samples were Y 1.80
Ba 2.40
Cu 3.400
O 7-x
, (Y 0.95
Ca 0.05
)Ba 1.595
Cu 2.405
O 7-x
, (Y 0.80
Ca 0.20
)Ba 2.000
Cu 3.000
O 7-x
, and
YBa 2
Cu 3
O 7-x
. The samples were calcinated at T k
= 900ºC for 5 hours, then characterized with x-ray diffraction
technique. The resulted YBCO powders were pressed into pellet, then sintered at T s
= 940 0 C for 10 hours. The
resulted samples were characterized with x-ray diffraction technique, and Meissner effect. The x-ray diffraction
datas were analyzed with the Rietveld method. The result of analysis indicate that the 123 phase and
211 phase were easier formed if it was used the off stoichiometric YBCO precursor. But if the stoichiometric
YBCO precursor was used, the 123 phases was just formed perfectly after sintering process and with no
second phase of 211 phase. Doping of the off stoichiometric YBCO precursor with 0.05 mole of Ca lead to
substitution of some Y atoms with Ca within 123 phase crystal structure, and there is no phase transition. But
when the precursor was doped with 0.2 mole of Ca, the 123 phase structure change from orthorombic to
tetragonal. With precursor of (Y 0.95
Ca 0.05
)Ba 1.595
Cu 2.405
O 7-x
, the 123 phase and 211 phase can be grown having
the ratio close to the ideal composition of (75 : 25 %), and shortest Cu(2)-O(3) chain in its 123 phase. It was
confirmed that Meissner effect of YBCO superconductor sensitive to the mole amount of O atom, but it was
not sensitive to the mole amount of Y, Ba and Cu metal atoms.
Key words : The off stoichiometric YBCO precursor, Ca doping, Crystal structure
187

Jurnal Sains Materi Indonesia
Indonesian Journal of Materials Science
PENDAHULUAN
Penelitian dan pengembangan superkonduktor
T c
tinggi (STT) dewasa ini telah mengarah pada aplikasi
industri di berbagai bidang [1]. Salah satu jenis STT yang
banyak diteliti dan dikembangkan orang adalah
YBa 2
Cu 3
O 7-x
(YBCO). Superkonduktor YBCO (fasa 123)
sangat menarik untuk aplikasi praktis, karena bahan itu
dapat menghantarkan arus super pada suhu nitrogen
cair, mudah dibuat juga reproducible [2]. Struktur sel
satuan YBCO ditunjukkan pada Gambar 1. Sepintas
struktur sel satuan YBCO tampak rumit, namun bangun
dasar sel satuan tersebut tidak lain adalah struktur
perovskite sederhana. Perovskite pada umumnya
memiliki perbandingan dua ion logam (A dan B) untuk
setiap tiga ion oksigen (O). Jadi formula senyawa
perovskite adalah ABO 3
. Nama struktur perovskite
diambil dari struktur mineral CaTiO 3
, dimana ion-ion Ca
menempati posisi sudut-sudut sel satuan, sedangkan
ion-ion Ti berada pada posisi pusat badan (body centre)
sel satuan.
Gambar 1. Struktur kristal YBCO ortorombik [3].
Sel satuan YBCO terdiri dari tiga struktur
perovskite yang bertumpuk. Sifat-sifat superkonduktor
YBCO ditentukan oleh struktur kristal (penataan ion-ion),
dan kandungan ion oksigen di dalam sel satuan.
Superkonduktor YBCO memiliki struktur kristal
ortorombik; tetapi jika struktur kristalnya berubah
menjadi tetragonal, bahan tidak lagi superkonduktif,
melainkan semikonduktif. Terjadinya transisi dari
fasa 123 ortorombik ke fasa 123 tetragonal adalah akibat
YBCO mengalami banyak kekurangan oksigen [3].
Struktur perovskite YBCO dicirikan oleh adanya
lempengan Cu(2)O 2
yang sangat konduktif dipisahkan
oleh lapisan-lapisan ionik, Y- yang bersifat
isolator. Arus super mengalir bebas di dalam
lempengan-lempengan Cu(2)O 2
, dan sebaliknya sangat
susah mengalir pada arah sumbu c, yakni arah tegak
lurus lempengan-lempengan Cu(2)O 2
dan oleh karena
itu sifat listrik bahan YBCO tidak isotropik. Pada arah
Edisi Khusus Desember 2008, hal : 187 - 194
ISSN : 1411-1098
sumbu c, konduksi pembawa muatan super terjadi
melalui mekanisme tunnelling yang lemah melewati
lapisan-lapisan ionik Y- yang bersifat isolator.
Namun demikian, ketidak-isotropikan YBCO jauh lebih
kecil, yakni 10 -3 kali lebih kecil dibandingkan
ketidak-isotropikan pada BSCCO, dimana lempenganlempengan
Cu(2)O 2
pada BSCCO terkopel secara lemah
satu sama lain [4].
Substitusi parsial ion-ion Y 3+ (jejari, r = 1,00 Ǻ)
dengan ion-ion Ca 2+ (r = 1,14 Ǻ) menyebabkan
meningkatnya kerapatan pembawa muatan di dekat
batas-batas butir, sehingga kopling superkonduktif
antara butir-butir meningkat, dan oleh karenanya
terjadi peningkatan arus-arus antar butir [5].
Pada penelitian terdahulu [6] ditemukan pula bahwa
kelarutan kalsium di dalam senyawa Y 1-y
Ca y
Ba 2
Cu 3
O 7-x
terbatas hingga harga y < 0,3 saja; sebab struktur
kristal Y 1-y
Ca y
Ba 2
Cu 3
O 7-x
akan berubah menjadi tidak
lagi ortorombik jika y 0,3 dan oleh karena itu tidak
lagi superkonduktif.
Penelitian sebelumnya telah melakukan
sintesis dan uji magnetisasi pada empat cuplikan
YBCO non stoikiometris, yakni YBa 1,595
Cu 2,405
O y
,
YBa 1,595
Cu 2,405
O y
+0,5%Pt, Y 0,95
Ca 0,05
Ba 1,595
Cu 2,405
O y
, dan
Y 0,95
Ca 0,05
Ba 1,595
Cu 2,405
O y
+0,5%Pt. Hasilnya menunjukkan
bahwa cuplikan dengan komposisi
Y 0,95
Ca 0,05
Ba 1,595
Cu 2,405
O y
memiliki harga magnetisasi
tertinggi, dengan kata lain kemampuan field trapping
cuplikan tersebut paling tinggi [7]
Dari studi literatur di atas tampak jelas bahwa
dua sifat fisis, yakni sifat listrik (konduktivitas listrik),
dan sifat magnetik (magnetisasi) superkonduktor YBCO
non stoikiometris meningkat manakala dilakukan
substitusi parsial ion-ion Y 3+ dengan ion-ion Ca 2+ .
Di sisi lain, dinyatakan bahwa sifat-sifat fisis bahan
tergantung pada struktur kristalnya [8,9]. Jadi, dapat
disimpulkan bahwa perubahan sifat-sifat fisis YBCO
tersebut adalah akibat adanya perubahan parameter
struktur kristal bahan tersebut.
Masalah yang menarik untuk diteliti lebih dalam
adalah bagaimana perubahan parameter struktur
kristal YBCO setelah sebagian ion-ion Y 3+ diganti dengan
ion-ion Ca 2+ . Lebih khusus lagi, bagaimana perubahan
posisi ion-ion di dalam sel satuan YBCO, terutama
ion-ion dalam lempengan Cu(2)O 2
dan ion oksigen O(3),
yakni ion penghubung antara bidang dasar Cu(1)O dan
lempengan Cu(2)O 2
. Masalah ini menarik untuk
diselesaikan, karena berdasarkan hasil penelitian
sebelumnya ditemukan bahwa manakala panjang ikatan
Cu(2)-O(3) lebih besar dari 2,3Ǻ, suhu transisi kritis
T c
< 91 K, dimana ion Cu(2) berada pada lempengan
Cu(2)O 2
, dan posisi ion O(3) bergantung pada
kekosongan oksigen pada bidang dasar Cu(1)O [10]
Penelitian substitusi parsial ion-ion Y 3+ dengan
ion-ion Ca 2+ dilakukan pada prekursor YBCO non
stoikiometris. Tujuan penelitian adalah selain
menentukan pengaruh doping Ca terhadap struktur
188

Pengaruh Prekusor Non Stoikiometris Terhadap Pembentukan Fasa Superkonduktor YBCO dan Pengaruh Doping Ca Terhadap
Struktur Kristal Superkonduktor YBCO (Engkir Sukirman)
kristal superkonduktor YBCO, juga menentukan
pengaruh prekursor non stoikiometris terhadap
pembentukan fasa superkonduktor YBCO. Diduga kuat
(hipotesis) bahwa akibat prekursor YBCO non
stoikiometris, maka akan dihasilkan selain fasa
superkonduktor, juga fasa isolator YBCO. Fasa
superkonduktor YBCO, atau biasa disebut fasa 123,
adalah fasa bahan yang dibangun oleh unsur-unsur
Y, Ba, Cu, dan O berturut-turut sebanyak 1, 2, 3, dan
(7-x) mol per sel satuan, dimana 0,0 < x < 0,5, sistem
kristal ortorombik, grup ruang : Pmmm (Volume I,
Nomor 47 pada International Tables for
Crystallography), parameter kisi a = 3,888(1) Å,
b = 3,823(1) Å, c = 11,685(3) Å dan α = β = γ = 90° [11,12].
Fasa isolator YBCO, atau disebut juga fasa 211, adalah
fasa bahan yang dibangun oleh unsur-unsur Y, Ba, Cu,
dan O berturut-turut sebanyak 2 mol, 1 mol, 1 mol dan
5 mol per sel satuan, sistem kristal ortorombik,
grup ruang : Pnma, (Volume I, Nomor 62 pada
International Tables for Crystallography), parameter
kisi: a = 12,167(2) Å, b = 5,654(1) Å, c = 7,125(1) Å,
α = β = γ = 90 0 [13].
METODE PERCOBAAN
Disiapkan empat jenis cuplikan YBCO dengan
stoikiometri : Y 1,80
Ba 2,40
Cu 3,400
O 7-x
(YBCO-SA),
( Y 0 , 9 5
C a 0 , 0 5
) B a 1 , 5 9 5
C u 2 , 4 0 5
O 7 - x
( Y B C O - S ) ,
( Y 0 , 8 0
C a 0 , 2 0
) B a 2 , 0 0 0
C u 3 , 0 0 0
O 7 - x
( Y B C O - S C ) d a n
YBa 2
Cu 3
O 7-x
(YBCO-SP). Keempat jenis senyawa
tersebut dibuat dari bahan baku yang sama, yakni serbuk
Y 2
O 3
, BaCO 3
, CaCO 3
dan CuO masing-masing dengan
kemurnian 99,999 %. Perbedaan keempat jenis senyawa
tersebut hanyalah stoikiometri prekursor, sedangkan
proses sintesis sama, yakni menerapkan metode reaksi
padatan, terdiri dari proses pencampuran bahan baku,
kalsinasi dan sintering dengan laju pemanasan dan
pendinginan yang terprogram.
Pencampuran bahan dasar dilakukan dengan
magnetic stirrer menggunakan media ethanol di dalam
gelasbeaker. Kalsinasi dilakukan pada T k
= 900 0 C selama
5 jam dan diulang sampai tiga kali. Selanjutnya cuplikan
hasil proses kalsinasi dikarakterisasi dengan teknik
difraksi sinar-x. Data difraksi sinar-x dianalisis dengan
metode Rietveld [14]. Serbuk YBCO hasil kalsinasi dicetak
menjadi pelet dengan cara sebagai berikut : Serbuk YBCO
dimasukkan secara merata ke dalam cetakan baja
kemudian serbuk YBCO ditekan dengan tekanan
P = 3.000 psi (pounds per square inch) selama 1menit
hingga 5 menit. Selanjutnya dilakukan sintering pada
T s
= 940 0 C selama 10 jam. Kemudian cuplikan
dikarakterisasi dengan teknik difraksi sinar-X, dan efek
Meissner. Data difraksi sinar-x juga dianalisis dengan
metode Rietveld [14] dengan menginputkan parameter
least squares fasa 123 dan fasa 211. Jika profil pola
difraksi kalkulasi berimpit (fit) dengan profil pola difraksi
observasi berarti cuplikan terdiri dari kedua fasa tersebut.
HASIL PEMBAHASAN
Analisis Data Difraksi pada Cuplikan Hasil
Kalsinasi
Profil pola difraksi sinar-x hasil analisis
Rietveld dari cuplikan YBCO-SA, YBCO-SB, YBCO-SC
dan YBCO-SP produk kalsinasi berturut-turut
ditunjukkan pada Gambar 2(a), Gambar 2(b), Gambar 2(c)
dan Gambar 2(d). Tampak pada gambar tersebut, pola
difraksi sinar-X menampilkan puncak-puncak difraksi
yang tajam. Hal ini mencirikan bahwa prekursor bahan
telah mengkristal dengan baik membentuk fasa baru.
Pada cuplikan YBCO-SA, YBCO-SB dan YBCO-SC,
masing-masing terbentuk fasa 123 [11,12] dan fasa 211
[13]. Karena dengan menginputkan parameter least
squares kedua fasa tersebut, diperoleh kualitas fitting
profil pola difraksi kalkulasi terhadap profil pola difraksi
observasi yang sangat baik. Hal ini diciri oleh kecilnya
faktor S (the goodness of fitting indicator) yang
diperoleh, yakni 1,282; 1,038; dan 1,640 berturut-turut
untuk profil Gambar 2(a), Gambar 2(b), dan Gambar 2(c).
Secara visual juga terlihat jelas bahwa deviasi antara
profil kalkulasi dan observasi tampak cukup flat. Hasil
analisis kualitatif tersebut menunjukkan bahwa pada
ketiga cuplikan tersebut tidak ada fasa lain yang terbentuk
kecuali fasa 123 dan fasa 211.
Intensitas, / (a.u)
Gambar 2. Profil pola difraksi sinar-x hasil analisis
Rietveld pada cuplikan YBCO-SA (a). YBCO-SB,
(b). YBCO-SC, (c). YBCO-SP, (d). produk kalsinasi, dimana
p1 = posisi puncak fasa-123 ortorombik, p2 = posisi
puncak fasa-211, dan = deviasi kalkulasi-observasi.
Gambar 2(d) adalah profil pola difraksi hasil
analisis Rietveld dari YBCO-SP produk kalsinasi dengan
parameter input yang sama, yakni parameter least
squares fasa 123 dan fasa 211. Tampak pada gambar
tersebut bahwa profil pola difraksi observasi belum cocok
(fit) dengan profil pola difraksi kalkulasi. Secara visual
terlihat jelas adanya deviasi yang cukup besar antara
profil kalkulasi dan observasi. Deviasi tersebut sedikit
berkurang, jika diinputkan parameter fasa 123 saja
189

Jurnal Sains Materi Indonesia
Indonesian Journal of Materials Science
(Gambar 3). Kualitas fitting menunjukkan bahwa
prekursor bahan belum 100 % mengkristal membentuk
fasa 123 dan juga tidak mengkristal membentuk fasa 211.
Dari pembahasan di atas dapat disimpulkan bahwa jika
digunakan prekursor YBCO non stoikiometris, fasa 123
dan fasa 211 mudah terbentuk bahkan sejak saat
proses kalsinasi.
Edisi Khusus Desember 2008, hal : 187 - 194
ISSN : 1411-1098
Intensitas, / (a.u)
Intensitas, / (a.u)
Gambar 4. Profil pola difraksi sinar-x hasil analisis
Rietveld pada cuplikan YBCO-SA (a). YBCO-SB,
(b). YBCO-SC, (c). dan YBCO-SP, (d). produk sintering,
dimana p1: posisi puncak fasa-123 ortorombik, p2: posisi
puncak fasa-211, pt : posisi puncak fasa-123 tetragonal
dan : deviasi kalkulasi-observasi.
Gambar 3. Profil pola difraksi sinar-x hasil analisis
Rietveld pada cuplikan YBCO-SP produk kalsinasi.
Kurva (a) jika input parameter hanya fasa-123
ortorombik dan Kurva (b) jika input parameter fasa-123
ortorombik dan fasa-211, dimana p1= posisi puncak
fasa-123 ortorombik, p2= posisi puncak fasa-211,
= deviasi kalkulasi-observasi.
Kehadiran fasa 211 sangat diharapkan, karena
fasa ini berfungsi sebagai penghambat (perintang)
pergerakan vorteks terhadap gaya Lorent, F L
= J B,
dimana J dan B beturut-turut adalah rapat arus [A/cm 2 ]
dan intensitas medan magnet eksternal [Tesla]. Partikel
fasa 211 inilah yang akan menjepit vorteks sehingga
vorteks tidak dapat bergeser tanpa terlebih dahulu
mendapat tambahan energi yang besar. Jika bahan dialiri
arus listrik, arus akan menggeser vorteks-vorteks. Vorteks
yang sedang bergerak menciptakan medan listrik, E.
Akibat adanya medan listrik tersebut, maka arus J
melepaskan energi sebesar E. J. Disipasi energi ini
ekivalen dengan resistivitas, ρ > 0 .cm. Perlu usaha
agar arus yang lebih besar tetap dapat dialirkan tanpa
terjadi disipasi energi. Caranya adalah dengan
menjaga agar vorteks-vorteks tidak bergerak atau
sekurang-kurangnya tidak mudah bergerak ketika
arus dialirkan. Hal ini dapat dicapai dengan
menjepit vorteks-vorteks atau menjepit fluksi magnetik
dengan menghadirkan sejumlah tertentu fasa 211
di dalam matriks fasa 123. Komposisi ideal kedua fasa
tersebut adalah 75 %fasa 123 dan 25 %fasa 211.
Analisis Data Difraksi pada Cuplikan Hasil
Sintering
Gambar 4 (a), Gambar 4 (b), Gambar 4 (c) dan
Gambar 4 (d) berturut-turut adalah profil pola difraksi
sinar-x hasil analisis Rietveld pada cuplikan YBCO-SA,
YBCO-SB, YBCO-SC, dan YBCO-SP produk sintering.
Gambar 4 (a) dan Gambar 4 (b) diperoleh dengan
memasukkan parameter least squares fasa 123 dan
fasa 211. Tampak pada kedua gambar tersebut bahwa
kualitas fitting profil pola difraksi kalkulasi terhadap
profil pola difraksi observasi sangat baik dan bahkan
lebih baik dari kualitas fitting pada Gambar 2 (a) dan
Gambar 2 (b). Hal ini diciri oleh kecilnya faktor S yang
diperoleh, yakni 1,257 dan 1,038 berturut-turut untuk
profil Gambar 4 (a) dan Gambar 4 (b). Secara visual juga
terlihat jelas bahwa deviasi antara profil kalkulasi dan
observasi tampak flat. Hasil analisis kualitatif tersebut
menunjukkan bahwa fasa 123 dan fasa 211 semakin
sempurna terbentuk setelah proses sintering dan pada
kedua cuplikan tidak ada fasa lain kecuali fasa 123
dan fasa 211.
Analisis data difraksi pada cuplikan
(Y 0,95
Ca 0,05
)Ba 1,595
Cu 2,405
O 7-x
(YBCO-SB), dilakukan dalam
tiga tahap sebagai berikut: Pertama, sebagian ion-ion
Y 3+ dan Ba 2+ disubstitusi oleh ion Ca 2+ , karena ketiga
ion tersebut memiliki jejari yang hampir sama, yakni
r (Y 3+ ) = 1,00Ǻ, r (Ba 2+ ) = 1,49Ǻ, dan r (Ca 2+ ) = 1,14Ǻ.
Ion Cu 2+ (r = 0,71Ǻ) memiliki jejari separoh dari jejari
Ca 2+ , oleh karena itu substitusi ion Ca 2+ pada ion-ion
Cu 2+ tidak dilakukan. Kedua, ion-ion Ca 2+ hanya
disubstitusikan ke site Y 3+ . Ketiga, ion-ion Ca 2+ hanya
disubstitusikan ke site Ba 2+ . Hasil analisis menunjukkan
bahwa fitting yang paling baik adalah manakala ion-ion
Ca 2+ disubstitusikan ke site Y 3+ . Dari data ini dapat
disimpulkan bahwa ion-ion Ca 2+ masuk ke dalam struktur
kristal fasa 123 menggantikan sebagian ion-ion Y 3+ .
Analisis data difraksi pada cuplikan YBCO-SC
dilakukan dalam empat tahap sebagai berikut: Pertama,
parameter least squares fasa 123 dan fasa 211 digunakan
sebagai parameter input. Kemudian program Rietan
dieksekusi. Ternyata baru pada iterasi pertama saja,
190

Pengaruh Prekusor Non Stoikiometris Terhadap Pembentukan Fasa Superkonduktor YBCO dan Pengaruh Doping Ca Terhadap
Struktur Kristal Superkonduktor YBCO (Engkir Sukirman)
program sudah berhenti akibat koefisien matriks tidak
definite positive (NDP). Oleh karena itu pada tahap
kedua, parameter least squares fasa 123 dan fasa 211
diganti dengan parameter fasa 123 tetragonal [3] dan
fasa 211. Setelah dieksekusi, program juga berhenti sejak
siklus pertama akibat koefisien matriks NDP.
Selanjutnya pada tahap ketiga, iterasi
dilakukan hanya menggunakan parameter fasa 123
tetragonal sebagai input dan tidak menyertakan
parameter fasa 211. Program berjalan hingga siklus 16,
dengan faktos S = 1,640. Pada tahap keempat, dilakukan
uji coba substitusi ion Ca 2+ ke site ion-ion Y 3+ dan Ba 2+ .
Hasil analisis menunjukkan bahwa fitting yang paling
baik adalah manakala ion-ion Ca 2+ disubstitusikan ke
site Y 3+ , seperti ditunjukkan pada Gambar 4 (c). Dari
pembahasan di atas dapat disimpulkan bahwa dengan
doping 0,2 mol Ca ke dalam struktur kristal YBCO,
menyebabkan perubahan struktur kristal bahan tersebut
dari ortorombik menjadi tetragonal.
Analisis data difraksi pada cuplikan YBCO-SP
dilakukan dengan memasukkan parameter least squares
fasa 123, dan penghalusan parameter tersebut bisa
berlangsung hingga 20 siklus. Hasil analisis ditujukkan
pada Gambar 4 (d). Tampak pada gambar itu bahwa
kualitas fitting profil pola difraksi kalkulasi terhadap profil
pola difraksi observasi sangat baik, diciri dengan
kecilnya indeks reliabilitas, yakni S = 1,223 dan deviasi
antara profil kalkulasi dan observasi tampak flat.
Dari pembahasan di atas dapat disimpulkan bahwa
ternyata jika digunakan prekursor YBCO stoikiometris
(Y : Ba : Cu = 1 : 2 : 3), reaksi padat pembentukan fasa 123
baru sempurna (100 %) setelah dilakukan proses
sintering.
Tabel 1. Faktor hunian ion (g j
), dan koordinat fraksi
ion (z j
) dalam sel satuan fasa 123 di dalam cuplikan YBCO-SA,
YBCO-SB, YBCO-SC, dan YBCO-SP.
Ion
YBCO-SA YBCO-SB YBCO-SC YBCO-SP
g j z j g j z j g j z j g j z j
Y 1,0 0,5 0,98(5) 0,5 0,8(2) 0,5 1,0 0,5
Ca - - 0,02(5) 0,5 0,2(2) 0,5 - -
Ba 0,98(3) 0,184(1) 1,0 0,1872(4) 0,89(8) 0,185(2) 0,42(2) 0,145(1)
Cu(1) 0,79(8) 0,0 0,99(3) 0,0 1,0 0,0 1,0 0,0
Cu(2) 1,0 0,352(2) 0,95(1) 0,3542(9) 1,0 0,362(5) 1,0 0,316(2)
O(1) 0,63 0,0 0,63 0,0 0,4(4) 0,0 1,0 0,0
O(2) 0,06 0,0 0,06 0,0 0,1(3) 0,1(1) 0,01 0,0
O(3) 1,0 0,127(9) 1,0 0,160(4) 1,0 0,37(1) 1,0 0,070(7)
O(4) 1,0 0,408(8) 1,0 0,375(3) - - 1,0 0,30(1)
O(5) 1,0 0,34(1) 1,0 0,372(3) - - 1,0 0,32(1)
(Y, Ba, Cu), dan sebagian atom oksigen. Berdasarkan
data pada Tabel 1, Tabel 2 dan Tabel 3, terlihat ada korelasi
antara indeks reliabilitas (faktor S) dan nilai ketelitian
parameter struktur atom (parameter kisi, dan koordinat
fraksi atom); dimana ketelitian parameter struktur
meningkat sejalan dengan bertambah kecilnya faktor S.
Faktor hunian atom oksigen tidak berhasil dihaluskan.
Hal ini karena faktor hamburan sinar-x dari atom-atom
ringan seperti oksigen lebih kecil dibandingkan dengan
hamburan dari atom-atom logam, sehingga parameter
variabel atom-atom oksigen tersebut sulit untuk
dianalisis secara akurat. Data faktor hunian atom oksigen
akhirnya diambil dari hasil penelitian terdahulu yang
diperoleh dengan teknik difraksi neutron [3].
Pada Tabel 2 terlihat bahwa dengan prekursor :
a. Y 1,80
Ba 2,40
Cu 3,400
O 7-x
dihasilkan 73 % fasa 123 dan
27 % fasa 211.
b. (Y 0,95
Ca 0,05
)Ba 1,595
Cu 2,405
O 7-x
ditumbuhkan 80 %
f asa-123 dan 20 % fasa 211.
c. (Y 0,80
Ca 0,20
)Ba 2,000
Cu 3,000
O 7-x
ditumbuhkan 100 %
fasa 123 tetragonal.
d. YBa 2
Cu 3
O 7-x
dihasilkan 100 % fasa 123 ortorombik.
Dari data ini dapat disimpulkan bahwa
dengan prekursor YBCO non stoikiometris, yakni
Y 1,80
Ba 2,40
Cu 3,400
O 7-x
, dan (Y 0,95
Ca 0,05
)Ba 1,595
Cu 2,405
O 7-x
dihasilkan fasa 123 dan fasa 211 dengan perbandingan
kedua fasa mendekati ideal (75 % : 25 %).
Tabel 2. Fraksi massa fasa 123, fasa 211, faktor S dan
senyawa fasa 123 pada cuplikan YBCO-SA, YBCO-SB, YBCO-SC
dan YBCO-SP.
Cuplikan
Fraksi massa (%)
fasa-123 fasa-211
Analisis Efek Meissner
Faktor S Senyawa Fasa-123
YBCO-SA 73 27 1,257 YBa 1,97Cu 2,79O 6,69
YBCO-SB 80 20 1,038 (Y 0,99Ca 0,01)Ba 2,0Cu 2,9O 6,69
YBCO-SC 100 0 1,640 (Y 0,85Ca 0,15)Ba 1,79Cu 3,0O 5,28
YBCO-SP 100 0 1,223 YBa 0,84Cu 3,0O 6,69
Tabel 3. Parameter kisi fasa 123 dalam cuplikan YBCO-SA,
YBCO-SB, YBCO-SC dan YBCO-SP.
Cuplikan
Parameter kisi ( Ǻ)
a b c
Struktur
YBCO-SA 3,880(1) 3,816(1) 11,648(5) ortorombik
YBCO-SB 3,8798(7) 3,8242(6) 11,708(1) ortorombik
YBCO-SC 3,880(2) 3,880(2) 11,770(7) tetragonal
YBCO-SP 3,888(1) 3,823(1) 11,685(3) ortorombik
Data struktur kristal fasa 123 (ortorombik
dan tetragonal) di dalam cuplikan YBCO-SA, YBCO-SB,
YBCO-SC, dan YBCO-SP hasil sintering ditunjukkan
pada Tabel 1, Tabel 2, Tabel 3 dan Tabel 4 dimana pada
Tabel 4 ditambahkan cuplikan YBCO-SN, yakni data
panjang ikatan Cu-O hasil analisis dengan teknik difraksi
neutron [3]. Tampak pada tabel tersebut bahwa koordinat
fraksi atom dapat dihaluskan hingga ketelitian tiga angka
di belakang koma, khususnya untuk atom-atom logam
Gambar 5 (a) hingga Gambar 5 (d) berturut-turut
adalah efek Meissner pada YBCO-SA, YBCO-SB, YBCO-
SC, dan YBCO-SP. Tampak jelas pada gambar tersebut
bahwa hanya YBCO-SC yang tidak menampilkan
efek Meissner. Hal ini sesuai dengan hasil penelitian
terdahulu [3], dimana fasa 123 tetragonal tidak
superkonduktif, dan oleh karena itu bahan ini tidak
menampilkan efek Meissner. Jika dalam satu sel satuan,
site Y 3- , Ba 2+ dan Cu 2+ terisi penuh, maka fasa 123 akan
191

Jurnal Sains Materi Indonesia
Indonesian Journal of Materials Science
memiliki perbandingan mol (mol ratio) Y : Ba : Cu =
1: 2 : 3. Dari data pada Tabel 2 tampak bahwa walaupun
YBCO-SA, YBCO-SB, dan YBCO-SP memiliki
perbandingan mol (Y,Ca) : Ba : Cu 1 : 2 : 3, namun ketiga
cuplikan tersebut masih menampilkan efek Meissner. Jadi
dapat disimpulkan bahwa efek Meissner tidak peka
terhadap perbandingan mol atom-atom logam fasa 123.
Oleh karena itu, walaupun YBCO-SP paling banyak
memiliki kekurangan ion Ba 2+ , tetapi cuplikan ini
menampilkan efek Meissner dengan kualitas yang
sama baiknya dengan efek Meissner pada YBCO-SA
dan YBCO-SB.
(a)
(c)
Gambar 5. Efek Meissner dari : (a). YBCO-SA,
(b). YBCO-SB, (c). YBCO-SC dan (d). YBCO-SP
Analisis Struktur Kristal
Rumus kimia cuplikan YBCO-SA, YBCO-SB,
YBCO-SC, dan YBCO-SP hasil penghalusan ditunjukkan
pada Tabel 2. Jika dalam satu sel satuan, titik tempat
(site) O 2- terisi penuh, maka fasa 123 akan memiliki 8 mol
atom oksigen. Tampak pada tabel tersebut bahwa
keempat cuplikan menderita kekurangan oksigen. Dari
keempat cuplikan tersebut, yang paling banyak
menderita kekurangan oksigen adalah cuplikan
YBCO-SC. Cuplikan ini memiliki 5,28 mol oksigen,
sedangkan ketiga cuplikan yang lain memiliki 6,69 mol
oksigen. Oleh karena itu pada cuplikan YBCO-SC terjadi
transisi fasa 123 dari struktur ortorombik menjadi
(b)
(d)
Edisi Khusus Desember 2008, hal : 187 - 194
ISSN : 1411-1098
tetragonal. Batas awal terjadi transisi fasa 123 dari struktur
ortorombik menjadi tetragonal adalah manakala
kandungan oksigen kurang dari 6,5 mol [10]. Dari data
ini dapat dikonfirmasi bahwa superkonduktivitas YBCO
(fasa 123) peka terhadap kandungan oksigen.
Dengan memasukkan parameter kisi, dan
koordinat fraksi atom hasil penghalusan ke dalam
program CrystalMaker [16], jarak antar atom dapat
dihitung (Tabel 4) dan sel satuan fasa 123 dapat digambar.
Fasa 123 pada cuplikan YBCO-SA, YBCO-SB dan
YBCO-SP berstruktur kristal ortorombik (Gambar 9).
Sedangkan fasa 123 pada YBCO-SC berstruktur
tetragonal (Gambar 10). Tampak bahwa, baik struktur
tetragonal maupun ortorombik dibangun oleh tiga buah
struktur perovskite yang kekurangan oksigen, yakni
BaCuO 2+
–YCuO 2+
– BaCuO 2+
bertumpuk sepanjang
sumbu c, dimana = simbol bagi kekosongan oksigen.
Pada bidang (0, 0, ½) sama sekali tidak ada oksigen dan
site oksigen pada bidang dasar (0, 0, 0) hanya terisi
sebagian.
Tampak bahwa pada bidang dasar struktur
ortorombik (Gambar 6) terdapat dua site oksigen, yakni
site O(1) posisi (½, 0, 0) ditempati 63 % oksigen dan site
O(2) posisi (0, ½, 0) ditempati 6 % oksigen. Perbedaan
faktor hunian oksigen pada kedua posisi tersebut sangat
besar, oleh karena itu YBCO (fasa 123) mengkristal dalam
bentuk ortorombik. Sedangkan pada bidang dasar
struktur tetragonal (Gambar 7) terdapat satu site oksigen,
yakni site O(1) posisi (0, ½, 0) ditempati 40 % oksigen.
Kedua struktur ortorombik dan tetragonal, masingmasing
memiliki dua site Cu yang berbeda, yakni site
Cu(1) yang membentuk rantai Cu(1)-O satu dimensi,
terletak di antara dua bidang Ba-O(3) dan site Cu(2) yang
membentuk Cu(2)-O 2
dua dimensi, terletak di antara
bidang Y- dan Ba-O(3). Jadi inti perbedaan kedua
struktur YBCO (fasa 123) ortorombik dan tetragonal
hanya pada jumlah kandungan oksigen.
Tampak pada Tabel 4 bahwa pada ketiga
cuplikan, panjang ikatan Cu-O pada YBCO-SB paling
sesuai dengan panjang ikatan Cu-O pada YBCO-SN [3]
dan panjang rantai Cu(2)-O(3) pada YBCO-SB sama
dengan panjang rantai Cu(2)-O(3) yang diperoleh
penelitian sebelumnya [10]. Dari data di atas dapat
disimpulkan bahwa prekursor terbaik adalah prekursor
dengan formula (Y 0,95
Ca 0,05
)Ba 1,595
Cu 2,405
O 7-x
, dimana
dengan prekursor ini dihasilkan 80 %fasa 123, formula :
(Y 0,99
Ca 0,01
)Ba 2,0
Cu 2,9
O 6,69
dan 20 %fasa 211, formula :
(Y 1,96
Ca 0,04
)BaCuO 5,0
.
Tabel 4. Panjang ikatan ion Cu-O di dalam sel satuan kristal fasa-123 produk sintering
masing-masing pada YBCO-SA, YBCO-SB, YBCO-SP, dan YBCO-SN [4].
Cuplikan
Jarak antar ion ( Ǻ)
Cu(1)-O(1) Cu(1)-O(3) Cu(2)-O(3) Cu(2)-O(4) Cu(2)-O(5) Y-O(4) Y-O(5)
YBCO-SA 1,9 1,5 2,6 2,0 1,9 2,7 2,7
YBCO-SB 1,9 1,9 2,3 1,9 1,9 2,4 2,4
YBCO-SP 1,9 0,8 2,9 1,9 1,9 3,0 2,8
YBCO-SN 1,9 1,9 2,3 1,9 2,0 2,4 2,4
192

Pengaruh Prekusor Non Stoikiometris Terhadap Pembentukan Fasa Superkonduktor YBCO dan Pengaruh Doping Ca Terhadap
Struktur Kristal Superkonduktor YBCO (Engkir Sukirman)
4. Dikonfirmasi bahwa efek Meissner superkonduktor
YBCO peka terhadap jumlah mol (kandungan) atom
oksigen, tetapi tidak peka terhadap perbandingan mol
atom-atom logam Y, Ba, dan Cu.
UCAPAN TERIMAKASIH
Gambar 6. Struktur kristal YBCO (fasa 123) ortorombik.
Ucapan terimaksih dan penghargaan kami
sampaikan kepada Bapak Ir. Iman Kuntoro (Kepala
PTBIN), Dr. Setyo Purwanto (Kepala BKAN),
Drs. Sumanto (Kepala BTU), dan rekan-rekan staf dan
teknisi BKAN-PTBIN yang telah membantu kami
dalam pelaksanaan kegiatan litbang ini. Penelitian ini
adalah sebagian dari hasil kegiatan uskeg tahun
anggaran 2007.
DAFTAR ACUAN
Gambar 7. Struktur kristalYBCO (fasa 123)
tetragonal.
KESIMPULAN
Dari penelitian ini dapat diambil beberapa
kesimpulan penting sebagai berikut :
1. Penggunaan prekursor YBCO non stoikiometris,
ternyata mempermudah dalam pembentukan fasa 123
dan fasa 211, bahkan sejak saat proses kalsinasi. Fasa
123 dan fasa 211 itu semakin sempurna terbentuk
setelah proses sintering. Jika dalam síntesis
superkonduktor YBCO tersebut digunakan prekursor
stoikiometris, maka fasa 123 baru terbentuk secara
sempurna setelah proses sintering dan tidak
disertai fasa 211.
2. Pendopingan superkonduktor YBCO non
stoikiometris dengan sejumlah tertentu atom-atom
Ca (0,05 mol Ca), hanya menyebabkan atom-atom
kalsium masuk ke dalam struktur kristal fasa 123
menggantikan sebagian atom-atom Y, dan tidak
terjadi transisi fasa. Namun jika kadar dopant Ca
ditingkatkan (0,2 mol Ca), maka terjadi transisi fasa
dari superkonduktor YBCO menjadi semikonduktor.
Konsentrasi dopant Ca maksimum yang masih bisa
disubstitusikan dan tidak menyebabkan transisi fasa
akan diteliti lebih lanjut.
3. Dengan prekursor Y 1,80
Ba 2,40
Cu 3,400
O 7-x
, dan
(Y 0,95
Ca 0,05
)Ba 1,595
Cu 2,405
O 7-x
dapat ditumbuhkan fasa
123 dan fasa 211, dimana perbandingan kuantitas
kedua fasa tersebut mendekati ideal (75% : 25%).
Namun (Y 0,95
Ca 0,05
)Ba 1,595
Cu 2,405
O 7-x
adalah yang
terbaik, karena dengan prekursor itu dihasilkan
fasa 123 yang memiliki panjang ikatan Cu(2)-O(3)
paling pendek.
[1]. D. LARBALESTIER, R. D. BLAUGHER, R. E.
SCHWALL, ROBERT S., SOKOLOWSKI,
MASAKI SUENAGA and J. O. WILLIS, Power
Applications of Superconductivity in Japan and
Germany, World Technology Evaluation Center,
Loyola College, Maryland, (1997)
[2]. ALEXIS P. MALOZEMOFF, Nature Material,
6 (2007)617-619
[3]. ENGKIR SUKIRMAN, Pengaruh Distribusi
Kekosongan Oksigen pada Superkonduktivitas
YBa 2
Cu 3
O 7-x
, Tesis S2, Fakultas Pascasarjana,
Materials Science, UI, (1991)
[4]. D. CHRISTEN, Nature Materials, 3 (2004) 421-422
[5]. HAMMERL, G., SCHMEHL,A., SCHULZ, R.R.,
GOETZ, B., BIELEFELDT, H. and SCHNEIDER,
C. W., Nature, 407 (2000)162-164
[6]. JIRAK, Z., HEJTMANEK, J., POLLERT,
E., TRISKA,A. and VASEK, P., Physica C, 156 (5)
(1988)750-754
[7]. ANDRASSZALAY,GABORBERTALAN,ISTVAN
VAJDA, JANOS KOSA and MARGIT ENISZ,
Journal of the European Ceramic Society, 25
(2005)2931-2934
[8]. B. D. CULLITY, Elements of X-Rays Diffraction,
Addison Wesley, (1978)
[9]. J. G. BEDNORZ, Nature Materials, 6 (2007)
621-622
[10]. A.W. HEWAT, Neutron News, 1 (1990) 28
[11]. ENGKIR SUKIRMAN,WISNUARIADI, DIDIN S.
WINATAPURA dan YUSTINUS, Jurnal Ilmiah
Teknik Mesin, 8 (2) (2006) 79-90
[12]. ENGKIR SUKIRMAN,WISNUARIADI, DIDIN S.
WINATAPURA dan YUSTINUS M.P., Jurnal
Sains Materi Indonesia, 8 (3) (2007) 281-286.
[13]. E. SUKIRMAN, W. ARI ADI, D. SAHIDIN
WINATAPURA dan SUPANDI, Prosiding
Seminar Nasional Hamburan Neutron dan
Sinar-X Ke 5, (2003) 112-116
[14]. FUJIO IZUMI, Rigaku Journal, 6 (1989) 1
193

Jurnal Sains Materi Indonesia
Indonesian Journal of Materials Science
[15]. M. MURAKAMI, Sci. Technol., 5 (1992) 185-
2003
[16]. DAVID PALMER, CrystalMaker, Interactive
Crystallography for MacOS, Version 2.0,
Cambridge University Technical Services Ltd.,
England, (1996)
Edisi Khusus Desember 2008, hal : 187 - 194
ISSN : 1411-1098
194