PEMBENTUKAN LARUT AN P ADA T ZoO-CoOPAD A SUHU 1100°C

S

3(,Dani Gustaman Syarif, Supomol,Engkir Sukirman:

'PusatPenelitian TeknikNuklir-BATAN; Jl. Tamansari 71, Bandung401322 Puslibang Iptek Bahan -BATAN; Kawasan Puspiptek, Serpong-Tangerang

ABSTRAK

Pembentukan Larutan Padat ZnO-CoO Pada Suhu 11000C. Pengetahuan mengenai mekanisme akomodasi ion Co baik berupa Co2+,Co3+ atau CO4+ di dalam kristal lnO perlu diketahui untuk memahami lebih jauh tentang pengaruh penambahan CoO terhadap karakteristik varistorlnO melalui pemahaman pembentukan larutan padat lnO-CoO. Oleh karena itu pembentukan larutan padat lnG-CoO dipelajari pada makalah inimenggunakan analisis difraksi sinar-x dan metalografi, Dan hasil analisis diketahui bahwa dengan penyinteran di udara pada suhu 11000c, CoOdapat membentuk larutan padat substitusi dengan lnG, dengan ion Co berbentuk C02+. Sebagai konsekuensinya tidak ditemukan peningkatanukuran butir pada pelet lnG-CoO meskipun kandungan CoO nya ditingkatkan.

ABSTRACTZnO-CoO Solid Solution Formation At 11000C. Knowledge of accommodation mechanism of Co ions in form of C02+, C03+ or

C04+ into lnO crystal is necessary to know in order to understand deeply about the effect of CoO addition to the characteristics of lnO varistorthrough understanding of solid solution formation of ZnO-CoO. Therefore, in this paper, the lnO-CoO solid solution formation was studied usingXRD and metallography analises. From the analises it was known that by sintering in air at 11000C, CoO was capable to form solid solution withlnO. In this case, the Co ion was in form of C02+. As the consequence, the increasing of grain size was not found in lnO-CoO pellets although the

content of CoO increased.

Key Words: Larutan padat, lnO, CoO, Konstanta kisi, Karakteristik E-J.

JUANPENDAHl

penambahannya dilakukan bersama-sama denganpenambahan oksida tambahan lainnya seperti Bi2O3,Sb2O3, Cr203, MnO dan NiO. Pengaruh CoO terhadapsifat listrik dan struktur mikro ZnO karena itu perludiketahui dengan pasti agar pembuatan varistor ZnOdapat dilakukan dengan efisien dan efektif.

Berkaitan dengan alasan di atas, pada penelitianterdahulu [7] studi pengaruh penambahan CoO terhadapstruktur mikro dan konduktifitas listrik keramik ZnOtelah dilakukan, namun mekanisme pertumbuhan butirdan perubahan konduktifitas listrik ZnO akibatpenambahan CoO masih belum diketahui dengan jelas.Yang perlu dipelajari lebih mendalam adalah apakah ionCo2+ mas uk secara substitusi atau interstisi ke dalamkristal ZnO. Hal ini pada penelitian terdahulu[7] tidakdapat diketahui dengan jelas sehingga mekanismepertumbuhan butir dan perubahan konduktifitas listrikZnO akibat penambahan CoO belum dimengerti. Secarateoritis mekanisme kedua peristiwa tersebut dapatdijelaskan dengan mempelajari pembentukan larutan

Varistor adalah salah satu komponen yangberfungsi sebagai penyetabil tegangan dan pelindungrangkaian elektronik dan listrik dari tegangan berlebih(Overvoltage) [1-5]. Berdasarkan bahan dasamya,varistor dapat dibuat dari berbagai bahan clan salahsatunya adalah varistor dengan bahan dasar ZnO yangkemudian dapat disebut sebagai varistor ZnO. VaristorZnO yang ada di pasaran saat ini umumnya dibuatdengan oksida tambahan yang relatif banyak sehinggakurang efisien secara ekonomis [1-6]. Oleh karena itusaat ini acta kecenderungan untuk meningkatkan efisiensipembuatan varistor ZnO dengan mengurangi jumlahoksida tambahan.

Pengurangan jumlah oksida tambahan didugadapat dilakukan dengan mempelajari lebih teliti peranmasing-masing oksida tambahan dan salah satu osidatambahan yang perannya harus dipelajari tersebut adalahCoO. Pengetahuan ini dapat digunakan sebagai dasaruntuk melepaskan CoO dari varistor atau tidak. Pengaruhkehadiran CoO tidak begitu dimengerti karena

27~, 2$ A~ 1111

Pt~ L,."..t.r... P~ z..o-c..o P~ s..t.. 110o-C~ ~ ~. s.., £.~ ~

pad at ZnO-CoO dengan bantuan difraksi sinar-x (XRD)dan dengan meningkatkan konsentrasi penambahan CoOmenjadi lebih tinggi dari pada konsentrasi padapenelitian terdahulu [7]. Pada saat itu konsentrasi CoOterlalu kecil untuk diamati menggunakan XRD, karenasebetulnya secara ekonomis penambahan CoO memangharus dilakukan sekecil mungkin. Berdasarkan latarbelakang di atas, maka pada makalah ini dibahaspembentukan larutan padat ZnO-CoO dengan konsentrasiCoO hingga 15 mol % pada suhu I 100°C yaitu suhuyang digunakan pada penelitian terdahulu [7] dan denganmenggunakan difraktometer sinar-x (XRD) sebagai alatbantu utama analisis.

Tabel1. Jari-jari ion logam dalam A dengan bilangankoordinasi 4 dan ion oksigen dengan

bilan an koordinasi 4 8.~ Ion lari-lari (A)

Zn-+ 0,60Co2+ 0,58C03+ 0,50C04+ 0,40

L--°2- 1,38

PERCOBAAN

Serbuk ZnO dicampur dengan serbuk CoOdengan komposisi sesuai Tabel 2. Campuran Tabel 2diaduk di dalam media aceton selama 1 Jam. Untukmengeringkan, serb uk campuran kemudian dipanaskanpada suhu 60°C selama 24 Jam. Serbuk campuran yangtelah kering kemudian digerus dan diaduk di dalammortar untuk menjamin homogenitas. Serbuk ini dipresdengan tekanan 3,9 ton/cm2 untuk mendapatkan reletmentah. relet mentah yang dihasilkan disinter pada suhu1 100°C selama 1 Jam di dalam atmosfir udara. relet basilsinter kemudian digerus hingga halus, dipres kembalidengan tekanan 3,9 ton/cm2 dan disinter kembali padasuhu 1 100°C selama 1 Jam. Langkah seperti ini diulangsebanyak 2 (dua) kali, tetapi penyinteran yang ketigadilakukan pada suhu I 100°C selama 21 Jam. relet basilsinter (setelah melewati 3 seri proses) dianalisismenggunakan difraksi sinar-x. Untuk pembanding,analisis difraksi sinar-x juga dilakukan terhadap reletmentah daTi ZnO+ I ,08%mol CoO dan ZnO + 10 % molCoO. Sudut 2e diambil daTi 20-140° dan sinar-x yangdigunakan berasal dari Cu Ka. Konstanta kisi dihitungdengan menggunakan persamaan (4) [9]. Untukmembandingkan dengan basil penelitian sebelumnya [7],beberapa relet sinter basi! 3 kali proses dianalisis secara

metalografi menggunakan mikroskop optik. Penyiapansam pel untuk metalografi dilakukan denganmengampelas relet sinter secara berjenjang denganampelas no.400 hingga no. 1500, selanjutnya dilakukanpemolesan dengan bantuan pasta intan dan pengetsaanmenggunakan larutan campuran CH3COOH dan H2Odengan perbandingan I : 500.

TEORI

Jika CoO yang ditambahkan ke dalam ZnO tarotradar secara substitusi, artinya ion Co2+ mas uk ke subkisiZn didalam kristal ZnO, maka reaksinya akan mengikutipersamaan (1) [7]. Pada saar itu larutan radar akanberbentuk Znl.yCOyO.

CoO = CO(Zn) + 0(0) + Dol cacat

Dengan, Co(Zn) = Ion Co yang masuk ke subkisi Zn di

dalam kristal ZnO.0(0) = Ion oksigen yang masuk ke subkisi

oksigen di dalam kristal ZnO.Sementara itu, jika ion Co2+ teroksidasi menjadi

Co3+ atau Co4+ selama penyinteran, maka reaksinya akanmengikuti persamaan (2) dan (3) [7]. Larutan padat yangterbentukjuga berbentuk Znl-yCOyO.

C02O3 = 2Col+(Zn) + 30(0) + Znv (2

Dengan, CO1+(Zn) = Ion C03+ yang masuk ke subkisi Zn di

da!am krista! ZnO.Zny2- = Cacat kekosongan Zn di subkisi Zn krista! ZnO.0(0) = Ion oksigen yang masuk ke subkisi oksigen di

dalam krista! ZnO.

CoOl = CO2+(Zn) + 20(0) + ZnV (3)

Dengan, C02+(Zn) = Ion C04+ yang masuk ke subkisi Zn

di dalam kristal ZnO.Znv2- = Cacat kekosongan Zn di subkisi Zn kristal ZnO.0(0)= Ion oksigen yang masuk ke subkisi oksigen dida£am kristal ZnO.

Berdasarkan ukuran ion Co Tabel I [8], didugajika ZnO dan CoO membentuk larutan padat dengan ionCo masuk ke dalam kristal ZnO mengikuti persamaan(2) dan (3), maka konstanta kisi larutan padat ZnO-CoOakan lebih kecil dibandingkan dengan konstanta kisi ZnOmuml.

~. 2S A~ 1111~8

p~ ~ P..k.l 2...0-&0 P"k s..t.. 110o-C~ G~ ~. 5.f ~ ~

Sin2e = (A. 2/4)14(h2+hk+k1/3a2 + r/C2j 4 harga jari-jari ion Tabel I, maka konstanta kisi larutanpadat lnG-CoO menjadi jauh lebih kecil dari padakonstanta kisi ZnO. Bertambah kecilnya konstanta kisidengan pertambahan konsentrasi CoO memperlihatkanbahwa larutan padat lnG-CoO yang terbentuk adalahlarutan padat substitusi. Ini terjadi karena setiappenggantian ion Zn2+ oleh ion Co yang berjari-jari lebihkecil di subkisi kation akan menyebabkan pengurangankonstanta kisi. Kurva hasil percobaan pada Gambar 9 dan10 memperlihatkan bahwa ZnO dan CoO cenderungmembentuk larutan padat dengan ion Co berbentuk Co2+karena penyimpangannya dari konstanta kisi ZnO murnirelatif kecil. Namun konfirrmasi dapat dilakukan denganmelihat struktur mikro yang akan dibahas berikut ini.

Konsekuensi dari masuknya ion Co2+ kedalamkisi ZnO adalah bahwa pada Iarutan padat ZnO-CoOtidak terdapat cacat kristal Znv (Kekosongan Zn) yangmemacu pertumbuhan butir. Hasil pemotretan mikroskopoptik terhadap beberapa sampel pada Gambar II clan 12(Lihat Iampiran) memperlihatkan bahwa pertumbuhanbutir cepat tidak terjadi. Pada Gambar II dan 12 jugadiperlihatkan bahwa ukuran butir lnG-CoO relatif tetapmeskipun konsentrasi CoO bertambah. Butir yangmembesar menandakan terjadinya pemacuanpertumbuhan butir akibat adanya cacat kristal. Oi sinitidak membesarnya butir meski konsentrasi CoObertambah, memperlihatkan bahwa CoO tidak teroksidasimenjadi CO3O4, CO2O3 atau CoOl. Oengan kata lain padaIarutan padat yang terbentuk ion Co berbentuk Co2+ danmekanisme akomodasi ion Co oleh kristal ZnO

mengikuti persamaan (I).

Dengan 8 = Setengah sudut difraksi 28.h,k,1 = Indeks miller.

;\.= Panjang gelombang dari Cu Kaa dan c = Konstanta kisi (Heksagonal)

HASIL DAN DISKUSI

rota difraksi untuk sampel ZnO-CoO untukkomposisi I sampai dengan 6 diperlihatkan pacta GambarI sampai dengan 6 yang tertera pada lampiran. Oariseluruh rota difraksi ini dapat dilihat bahwa puncaktambahan yang berasal CoO, senyawa gabungan ZnOdan CoO atau senyawa tidak terlihat. Yang munculhanyalah puncak-puncak yang berasal dari ZnO. JikaCoO tidak teroksidasi, seharusnya jika ZnO dan CoOtidak membentuk larutan padat minimal puncaktambahan yang berasal dari CoO muncul pada sudut 28sekitar 39,6° atau 42,4°,atau 42,9° sesuai data Tabel 3 danseperti Gambar 7 dan 8 pada lampiran karena pada sudutsekitar itu terdapat puncak tertinggi CoO. Gambar 7 dan8 adalah pola difraksi sampel ZnO yang ditambahimasing-masing 1,08 % mol dan 10% mol CoO yangbelum disinter. Kedua Gambar ini memperlihatkancontoh jika ZnO dan CoO tidak membentuk larutanparlato Pada sudut 28 = 42,40 terdapat puncak tambahan

dari CoO untuk bidang 200.Jika CoO teroksidasi ke valensi lebih tinggi

terdekat yaitu COJO4, dan tidak membentuk larutan padatdengan ZnO, maka seharusnya muncul puncak tambahanpada sudut 28 sekitar 68,30 karena pada sudut sekitar initerdapat puncak tertinggi COJO4 (Lihat Tabel 3). Hal inimenandakan bahwa CoO yang ditambahkan hingga 15 %mol semuanya membentuk larutan padat dengan ZnO.Namun untuk lebih meyakinkan, terbentuk tidaknyalarutan padat ZnO-CoO perlu dilakukan analisis sebagaiberikut.

Tabel 3. 29 puncak tertinggi CoO pada berbagai-.~uang ~rup can CO3O4.Material I Ruang Grup -

20 puncak tertinggiNo. hk

110

200

002

311

2.

3.

4.Larutan padat ZnO-CoO dapat terbentuk secara

substitusi maupun instertisi. Persamaan (1) sampaidengan (3) menunjukkan akomodasi ion Co denganberbagai valensi oleh kristaJ ZoO secara substitusi.Dengan meJihat jari-jari ion Co Tabel I, secara teoritishanya ion Co4+ yang mungkin Jarut padat secara interstisisedangkan yang lainnya yaitu ion Co2+ daD Co3+ Jebihmungkin untuk tarot padat secara substitusi. Konstantakisi larutan padat ZoO-CoO dapat dijadikan indikatorapakah pembentukan Jarutan padat ZnO-CoOberJangsung secarasubstitusi atau interstisi.

Harga konstanta kisi yang diperoJeh dari poJadifraksi menggunakan persamaan (4) sebagai fungsikonsentrasi CoO diperlihatkan pacta Gambar 9 daD 10.Pacta Gambar 9 daD 10 dapat dilihat bahwa konstanta kisi(a daD c) cenderung mengecil dengan bertambahbesarnya konsentrasi CoO. Secara teoritis jika Co2+teroksidasi menjadi Co3+ atau Co4+ dan berdasarkan

~12$f

UCAP AN TERIMA KASIHPenelitian ini dibiayai oleh Dewan Riset

Naslonal melaui LlPI di bawah kontrak perjanjian no.13/SP/RUT/1999.

29

KESIMPULAN

Oengan penyinteran di udara pada suhu 1100°C,CoO dapat membentuk larutan radar substitusi denganZoO. Oi dalam larutan radar tersebut ion Co berbentukCo2+. Konsekuensi terdapatnya ion-ion Co2+ di dalamlarutan radar ZoO-CoO adalah tidak ditemukannyapeningkatan ukuran butir pada pelet ZoO-CoO meskipunkonsentrasi CoO bertambah.

L~

1'i'i'i

p~ ~ p~ z..O-CoO p~ s:..t.. 1100"C

~~~.~.~~DAFTAI~ PUSTAKA [6]

7]

:2].

[8]

[4].

[9]

Anonymous, Transient Voltage SuppressionManual, General Electric 1974.Dani Gustaman Syarif, Saeful Hidayat, StudiPengaruh Penambahan CoO Terhadap StrukturMikro Dan Konduktifitas Listrik Pelet KeramikZnO, Seminar Nasional Kimia Anorganik 1999,Jurusan Kimia, FMIPA-UGM, Yogyakarta 8-9Maret 1999.Shanon R.D., Revised Effective Ionic Radii andSystematic Studies of Interatomic Distances inHalides and Chalcogene\ides, Acta. Cryst. A32(1976)751.H.P. Klug, L.E. Alexander, X-ray DiffiactionProcedure, John Wiley and Sons, New York, 1974.

[5].

Matsuoka M., Nonohmic Properties of Zinc OxideCeramics, Japanese Journal of Applied Physics,Vol. 10, No.6 (1971)736.Wong J., Microstructure and Phase Transformationin a Highly Non-Ohmic Metal Oxide VaristorCeramic, J.Appl.Phys., Vol 46,No.4 (1975)1653.Levinson L.M., Philipp H.R., The Physics of MetalOxide Varistors, J.Appl.Phys. Vol.46 No.3,(1975)1332.4. Levinson L.M., Philipp H.R., Metal OxideVaristor-A Metaljunction Thin- Film Device,Appl. Phys.Lett., Vol.24, No.2(1974).Philipp H.R., Levinson L.M., Tunneling ofPhotoexited Carriers in Metal Oxide varistors, J.

Appl. Phys., Vol.46, No.7(1975).

'.unts'

36...,"to I

]1.88zc-o I

:588 2588

,...

III

I ~!

~jl t z zZ I .

"1% WI " . ';1" '!':,\I';I~ I ':~'!"!Z ,'II1Z'.'-""".I' L """i..",.., '"' '" ""...,--""V" U "VI.-

---, , r--r---"' T--, .,~4. ..8. ,.. 128 (OZ,

Gambar 1 Pola Difraksi sinar-X ZnO mumi

188 "~-..J

~t~~~I 148 ,~---~--,-- -

28 18 ..88 188 128 '.Z81

Gambar 3 Pol a Difraksi sinar-X ZnO + 5%mol CoO

4988 T,.'s! ~

3688 jZC1

ZC3

1588

.ee, z

IIIZ .88

z,zt

i ,

z zz I z! z Z l

Z JI i Z J I ~. Z!) ' : OJI1 I~\.

, ., ' r , z. ..,. IZ. '"Z.IGambar 4 Pola Difraksi sinar-X ZnO + 7,5%mol CoO

Z. .11 .."' ,.. ,i. ,"i..Gambar 2 Pola Difraksi sinar-X ZnO + 2.5%mol CoO

30 ~, 2S A~ 1111

p~ ~ P...t..t z..o-c..o p""" s..t.. 1100"C

~G~~,~,E+~

3.259

3.257

E 3.2550

~ 3.253OJ

~ 3.251

.3.249

3.247

3.2450 2 4 6 8 10 12

Konsentrasi CoO (% mol)

14

Gambar 9. Konstanta kisi (a) sebagai fungsi konsentrasiCoO dalam % mol

5.23

5.22

E~ 5.21ina~ 5.2U

5.19

188i 5.18

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Konsentrasi CoO (% mol)

Gambar 10. Konstanta kisi (c) sebagai fungsi konsentrasiCoO dalam % mol.

Gambar 11. Struktur mikro A. ZnO murni (Tanpa CoO)dan B. ZnO+5% mol CoO (P=282x).

~, 2S A~ 1qqq 31

Gambar 12. Struktur mikro A. ZnO+7,5% mol CoO dan BZnO+15% mol CoO (P=282x).