Prosiding Pel1emuan rtmiah Sains Materi 1996

SINTESA SrTiO3 POLl KRIST ALIN UNTUK SUBSTRA T THICK FILM1SUPERKONDUKTOR YBa2Cu30,-X

Suasmoro:

A8STR~KSINTESA SrTi(>:1 POLIKRISTALIN lJNTUK SUBSTRA T l'HICK FaM SUPERKONDUKTOR YBa2CU~\o,-X.

SrTiO, pol.ikrist.-tlin disilltesa dellgan kalsinasi precursor yallg disiapkan mcla]ui kopr~sipitasi oksala!. T~rbelltuknya komposisiSrTiO, dianalisisdeilg:An ana]isa terma], XRD dan FrIR Bubuk SrTiO, selanjutnya dibentllk menjadi disk dengan sintering pactasuhu 1250"C-135()'"C untuk substrat Pcnyiapan thi.:k film YBa!CU,O7-X dil.akukan dengan tape .:asting yang kemudian di]akukan~illtering pada T=925°C. Allalisis mikroskl!pis lapisan thick film menulI.jukkan p<)rositas yallg masih tinggi

ABSTRACTSYNTHESIS OF SrTiO3 POLYCRYSTALLINE FOR A SUBSTRATE OF THICK FILM YBa2Cu.\O7.x

SLJP(';RCONDUCTOR. Polycrystalline SrTiO3 has been synthesizcd hy a calcination of precursm prepare.(l via oxalatecoprecipitation The mechanism of SrTiO3 fonnation was analyzed by means of thernlal analysis. XRD and FrIR. Disc shape ofSUhStl1ltc was obtain~d hy sim~ring green pellet of pressed SrTiO) powder at th~ tempel-ature around 1250" C to 1350" C. Thepreparation of thick film of YBa:!Cu307.X was don~ by tape casting and simered at T = 925" C Microscopic analysis shClwed thatthick film still high porosity due to hinder evaporation.

dcngan reagent grade. Proscdur lengkap

ditunjukkandalan1 diagram alir, Gambar 1.Untuk membentuk bubuk baku

(precursor), larutan TiCI4 dan SrCI2 denganpcrbandingan ion-ion Ti/Sr = III dicampurkanschingga membentuk TiOCI2-BaCI2, kemudianditambahkan larutan jenuh asam oksalat. Hasildari pada ini adalal1 endapanSrTi(C2O.j)2.4H2O menuruti rcaksi :

TiC14

+ srC.l2 + 2H2 C2O4+ 5H2O >SrTiO(C2O4)2.4H2O + 6HCl

Untuk menghilangkan HCl dilakuk.'\npencucian. yang diikuti dengan test AgNO,untuk mcngetahui kesempurnaan pencucian,

Selanjulnya pengeTingan sehingga diperolehbubuk baku,

Analisa termal dengan DT A dan TGAdari precursor menunjukkan adanya ligakejadian ternml, Gambar 2,

Pertama kejadian endotermik padt\T <2Q<)OC yang dibarengi oleh penguranganmassa sebesar 24LJo yang lel:iadi karenapenguapan sisa air yang terperangkap padarongga (cavity) antar butir dan dehidrasi. Padt!temperatur ini, yang tersisa adalah SrTi(C2O.j)2.Kedua, antara T=250°C clan T=500°C,teramati adanya pengw'angan massa yangsangat tajam dan diikuti oleh fenoment\eksbterik, Apabila massa padtl T=250"Csebagai acuan baru, pengurangan massa disiniberkisar 44o/Q, Pengujian XRD raJa bubukyang dipanasi hingga 50{)OC dan ditahanselama I jam menunjukktm benluk kristalindengan munculnya puncak-pUnCt1k diffraksidt\ri semula amorl', Puncak-puncak inidiidentifikasi buktm srCo, maupun TiO1,Gamba!' 3, Pengujian FTIR daTi sampelmcngindika."ikan vibrasi karaklerislik grup

PENDAHULUANStrontium Titanat kristal tunggal banyak

digunakan sebagai substrat lapisan tipisYBa2Cu,O7-X dilaporkanll) mempunyai aruskritik besar (105 A.cm") dibandingkan denganarus kritik superkonduktor yang sarna dalanlbentuk hulk (.I 02-1 0' A.cln"). Tingginya aruskritik lapisan tipis disebabkan orientasipret'erensial dimana bidang a-b sejajar denganpermukaan substr..u. Dengan kenyataan inipenggunaan polikristal sebagai subst\.atdiharapk..m akan memberikan arus kririk yanghesar pula. Akan tetapi dengan ringkalkekcrasan (roughne!J'.5) permukaan yang lebih

tinggi dibandingkan dengan permukaanmonokristalin, penggunillm polikristalin akanlebih cocok untuk suhslrat film tebal (thick.film).

Sintesa SrTiO, dapat dilakukan melaIuidua cara, yaitu reaksi fasa padat dati dan TiO2clan cara b..tsah "cara kimiawi,,(2'. Cara yangperlama dilaksanakan dengan mereaksikanStrontium karbonat dan TiO2 pada lemperaturyang relatif tinggi (I 0()()OC-1300°C) olehkarenanya sering diikuli oleh aglomerasi. Padacara yang terakhir, dengan homogenitas yangtinggi dan lembutnya precur.50r mala kalsinasidil,lkukan pacta lemperatur yang relalif rendah

(700-800°C) sehingga aglomerasi dapatdiminimalkan.

Dalam 1..1poran ini pertama-lama akandikemuk,1kan sinlesa SrTiO3 yang dilakukandengan cara kimiawi kopresipiutsi osalat.Kemudian polikristalin SrTiO3 digunakanseb..tgai substrat lapisan tebal (thick film)YBa2Cu307-X serla alan dikemukakanproblematikny..t sebagai kajian awal.

SINTESA SrTiO3Oalam sinlesa' SrTiO3 bahan baku

disuplai daTi E.MeTck TiCI4, SrC12 dan C2H2O4

Dipresentasikan raJa Seminar IImiah PPSM 1996Jurusan Fisika FMIPA lnstitut Tcknologi Sepuluh Nopcmber, Surabaya 359

karbon at CO3-2, yaitu masing masing pad"858 cm-I" 1061 cm-l, 1440 cm:', 1680 cm-l,Gamb,\r 4. Spektra ini sedikiI bergcser dari yangdilaporkan olch E.R.Leite et. ar3J. yaitu850 cm-l, 1073 cm-l. 1450 cm-'dan 1770 cm"l.Dari data diatas, dapatlah dikemukakan bahwakejadian tcrmal pada daerah temperatur iniadalah reaksi dekomposisi-pembakaran dilllhasilnya suatu ikatan kill'bonat campuran,

2SrTiO(C204)2 + 2°2 ?

Sr2TiZOS.C03 + 7C02

reaksi tersebut diatas sesuai dikemukakan olehCho et. al maupun E.R.Leite et.al I)), dimana inibcrhedil dengan yang dikemukakan oleh.J.C.Bernief2) yang mcnyatakan bahwa sete!ah

pcmanasan sampai dcngan 500°C hasilrcaksinya adalah SrTiOJ.Y2CO, dan CO2-

--Gamba!- 4. S)Jektra FfIR dari ~ampe) yang dipanit~i pada

T =500"C selama ] jam

Ketiga fenomena termal dimanaterdapat pengurangan massa 16lki yang diikutioleh peristiwa endotermik berkaitan denganpelepasan karbonat menjadi CO2 gas sertapembentukan SrTiO3. Pengurangan massa inimendekati pengurangan secara teoritis sebesar13%.

Pengujial] XRD dari sampel padaT=700°C selama I jam menunjukkan bahwapembcntukan SrTiO3 be.Ium sempurna, olehkarena itu kalsinasi dilakukan pad a temperaturtersebut diatas dengan waktu yang lebih lama(6jam), Gambar 5. Morfologi bubuk yangdihasilkan berbentuk ronde I sepertiditunjukkan pacta Gambar 6 dengan ukuranbubuk diperkirakan 1-3 ~m.

I ~ ...1...

~.Q ,I.~

t ., I....

; ,j~C I..c' -j---

~~~= ~" 10 II \0 \\

21 Iftl!1 (dll)

Gambar 5. Speklra difraksi sinar-x setelah kal.,inasi

J I

1~--0 ~1.. I ' ..,

10 II

360

(b)Gambar 7 Mikrografi substrat setelah sinlering,

(a). tanpa Bi20... (b). dengan 5 % Bi20:-Gambar 6 Mikrograti SEM setelah kalsinasi menunjukkmlIrnJrfologi bubuk.

SINTERING SUBSTRA TSubstrat dibuat dengan bubuk SrTiO3

yang dih,\silkan daTi proses yang telahdikcmukakan diaLas. Green pellet daJ,\m bentukdisk berdi,\meter 2.5 cm disiapkan denganmengepresan uniaksial die sehingga mempunyaikelebalan berkisar 2mm.

Pembakaran (sintering) dilakukan padalcmperatur yang hcrhcda selama I .jam. Darilabel I dilun.jukkan hahwa sintering padaT= I 350"C dcnsitasnya baru mencapai 3.08gr.cm-' dimana ini i11asih jauh dari dcnsitastcoriliknya sebesar 5.12 gr.cm.'. Dcnganmaksud untuk mempcl"tinggi densitas substral,sinlcring dilakukan dcngan mcnambah Bi2O;\scabagai agcn pcmercepat pemadatan. Bi2O3selama sinlering herada pada keadaan fasa cairschingg,\ pemadalan dapal dipercepat dan padaIcmperalur y:;mg lcbih rendah, label 1.

Mikrografi dari substrat menunjukkanhahwa tanpa tamhahan Bi2O, porositasnyahesar, semen lara deng,\n tamhahan Bi2O, ukurangrainnya memhesar dan dikelilingi endapan rasacair Bi2O,. Gamb,\r 7.

LAPISAN TEBAL (THICK FILM)

YBaZCu307-XUntuk menyiapkan I.apisan tebal.

terlebih dulu disiapkan bubuk YBaZCu307-Xdengan mengkalsinasi canlpuran b:ilian dasary Z03, BaCO} dan CLIO menuruti prosedur yangdikemukakan oleh Suasmoro\4J. Bahan dasardicampur dengan teknik hall-milling hinggacampuran bubuk homogcn. Rcaksi padatdilakukan dengan kaI.sinasi pacta T=875°C2x I. 2 jam yang diantaranya diI.akukanpencampuran lagi. Hasil kaI.sinasi di 'milling'kembali untukmemccah agglomerasi.

Bubuk YBa2Cu,07-X kemudiandicampur dengan binder ethylen glicolschingga membentuk adonan (slury), y.mgseI.anjutnya dengan teknik tape castingdibentuk band lapisan tebai. diatas substratseI.ebar 2-4 mill. Sintering lapisan tehaldiI.aksanakan bcrsama substrat. Untukmenghilangkan binder siklus sinteringdilakukan dcng.m step isotennal pacta 300°Csclama I. j.lm, kemudian dinaikkan hingga pactatcmperaLur maksimum T=925°C- Dilaporkan(5)hahwa sinLering pacta temperatur ini lasa caireutectic Lerner sudah Limbul, walaupundemikian masih dapaL meminima!kanpertunlbuhan grain yang ubnormai. yang akanmengakibatkan retak mikro (microcracking).

Penganlatan makroskopis dari bandI.'!pisan tebal menunjukkan bahwa s.lmpcl y.mgmcnggunak.m substrat dengan tambahan Biz03mudah mengelupas dan warnanya kecoklat.1n..Ini mengindikasikan bahw.l Bi2O} berdifusidari substrat ke !apisan Leba!.

Observ.lsi dengan SEM (.~cunnin,~eledr()n micrvscvpe) terhadap mikrostrukturdari smnpcl yang diperoI.eh mcnunjukk.mhahwa I.apisan tebai. YBa2Cu,07-X mcmpuny.'!imorfologi grain cenderung rondelle danmenunjukkan pe.rtumbuhan grain nornlal.ukur.m grain berkisar 1.5 fim. Akan tetapimempunyai porositas yang besar untuk keduajenis substraL SrTiO, murni maupun yangditambah dcngan BilO,. Gambar 8.

361

UCAPAN TERIMAKASIH.Penulis mengucapkan terimakasih atas

dukungan dana daTi Third World Academ)' l?fScience (TWAS) Trieste-Italy daD RUT-ISuperkonduktor. Demikian pula terimakasihkepada sdr. Drs. Djoko Hartanto. M.Si JurusanKimia ITS daD Drs. Zaenal Arifin. M.Sc atasbantuannya dalam menyiapkan bubuk baku(precursor) dan thick film.

(b)II YBa2Galnbar 1\ ata.'i substralIn tcb,

Bi!O

Tingglnya porosltas bisa dlsebabkanoleh tcrbakarnya binder yang kemudian

ml~llinggalkan rongga-rongga. dan selama

sinlering disini belum cukup untuk

menghilangkannya. Akibatnya bidang kontakyang dilcwali arus ant..lr grain kecil menjadikan

karakteristik listriknya belum optimal.

Dari kcnyataan terse but diatas, u~aha-usaha unlukmenyiapkan ~ubslrat dengan SrTiO:\

ma~ih h..lTu~ dius..lhak..m agar pemadatan

mcndckali densitas teorilik, scmentara ~intering

dengan bah..m tambahan h..lTUS dihindari.

DAFTAR PUSTAKAI. J.C.BERNIER, "Chemica! Processing for

Electronic Ceramics: a chalange" dalamCeramics Materials Research edited byRJ.Brook, E-MRS, p233 (1989).

2. D.W.GREVE, A.K.STAMPER, T.E.SCHLE-SINGER. M.MIGLIUOLO,Influence of Y 203-ZrO2 bufter layers onsputtered films of YB a2CUjO6+X , dalamCeramics Materials Research edited byR.J.Brook, E-MRS, p325 (1989).

3. E.R.LEITE, C.M.G.SOUSA, E.LONGO.J.A.VARELA, "Influence ofpolymarization on synthesis of SrTiO.,:Part 1. Characteristics of polymericprecursors and their thermal decom-position" Ceranl.Int. Vol21 p.43 (1995)

4. SUASMORO, Optimasi kalsina..~i dalamreaksi padat pembentukan YBa2CUjO7-X ,Proceedings Seminar Nasional Teknologilndustri Vll, Surabaya 1-2 Februari 1994

5. SUASMORO, D.S_SMITH, M.LEJEUNE.M.HUGER. and C.GAULT, J.Mater.Res.Vol.7. No.7. p1629 (1992)

KESIMPULANMekanisme terhentuknya SrTiO3 melalui

tahapan interedier dengan terbentuknya karbonat

Sr2 TizO,.CO3 melalui reaksi dekoposisi-

pembakaran yang eksotermik. Pada tahapan

akhir CO2 terurai dan membentuk SrTiO3.

Sintering untuk membentuk substrat.SrTiO\ tunggal pada T = I 350°C baru menc.\pai

(JOt;'( d.lri densitas teoritik. Penambahan 59;:;

Bi2O; menaikkan densitas hingg.1 9H% dari

densitas teoritik

pertumbuh.\n butir \.1;1

iO,

al YBa2CU307

terdapat pOIIbstrat SrTiO

-x se.\elah

rosit.\s y.mgI, tanta dan,abkan oleholeh binde.r.

/-'llm teb

g pada 925

hc!;ar untuk

Bi2O, Y:l.rongga yanJ

sintcrirmasih

DISKUSIRukihati:Sintcring (substrat) pad a suhu I 350°C dan slipcasting (thick film) ptlda suhu 930"C, Apakahpada kondisi slip casting tersebut terbenl.ukrcaksi antara substrat dan thick film '?Suasmoro :.SinLering substrat SrTiO:l + Bi2O3 tidak

teljadi reaksi (Bi2O:- sebagai agentpemcrcepat pemadatan karena pada

tcmperaLur sinLering Bi2O~ lain),.Sintering substraL + thick film hila substraL

SrTiO3 murni ~ tanpa reaksi.Untuk Bi2O3 ~ terlihat adanya reaksiBi2O3 yang bermigrasi ke thick film.

Engkir Sukirman :Thick film berapa ordenya '?Suasmoro :Untuk thick film ordenya dalaln mikron.

mengandung

;Iral

angHilO.

362