Pengaruh ukuran terhadap sifat magnetisasi nanostruktur nikel oksida

M. Abdul Khadara,* , V. Bijua , Akihisa Inoueb

a Department of Physics, University of Kerala, Kariavattom Campus, Thiruvananthapuram 695581, Kerala, India

b Institute for Material Science, Tohoku University, Sendai 9808577, Japan

AbstrakNanostruktur nikel oksida yang dihasilkan dari sintesis larutan kimia pada umumnya memiliki ukuran partikel yang berbeda-beda. Sifat magnetik sampel yang diukur pada suhu kamar menggunakan magnetometer vibrasi didapatkan hasil yang berbeda dengan pengukuran dari kristal tunggal nikel oksida. Sampel dengan ukuran partikel rata-rata 2-3 nm menunjukkan sifat superparamagnetik. Besarnya keganjilan momen magnet sisa dari sampel ini berhubungan dengan struktur magnetik dari multisubkisinya. Menariknya, sampel dengan ukuran partikel rata-rata yang lebih besar, yaitu 13 dan 18 nm, menunjukkan sifat superantiferomagnetik dengan kurva magnetisasi yang cenderung linier dengan nilai suseptibilitas yang lebih besar daripada nikel oksida bulki. Hasil penelitian ini menunjukkan pentingnya permukaan atom dan permukaan pendorong terjadi penataulangan spin dalam penentuan sifat magnetik dari nanostruktur nikel oksida.

Kata kunci: nanostruktur, nikel oksida, magnetik

PendahuluanPengembangan material magnetik pada skala nano sangat penting dan mendesak untuk dilakukan berkaitan dengan berbagai aplikasinya dalam banyak bidang seperti material perekam berkerapatan tinggi, katalis, teknologi ferofluid sebagai pengarah obat, magnetic resonance imaging, dll. [1,2]. Suatu kristal yang berorde beberapa nanometer akan membentuk satu domain partikel tunggal yang akan memunculkan sifat unik seperti superparamagnetik. Telah banyak dilaporkan mengenai sifat magnetik dari modifikasi partikel feromagnetik berdomain tunggal termasuk logam Fe, Co, Ni dan oksida logam lainnya seperti NiO, γ-Fe2O3, NiFe2O4, CoFe2O4 dan MgFe2O4 [3-5]. Sifat magnetik dari nanostruktur oksida-oksida yang termodifikasi ini melokalisasi perubahan interaksi dan menunjukkan hubungannya yang kuat dengan ukuran partikel rata-rata yang pada akhirnya menekankan pentingnya permukaan atom dan permukaan pendorong terjadinya penataulangan spin dalam penentuan respon magnetiknya. Makalah ini akan melaporkan hubungan antara ukuran dengan sifat magnetisasi dari nanostruktur nikel oksida yang memiliki ukuran partikel rata-rata yang berbeda-beda dengan menggunakan magnetometer vibrasi.

Metoda PenelitianSampel nanostruktur nikel oksida didapatkan dari dekomposisi termal (NH4)2CO3 yang direaksikan dengan Ni(NO3)2 yang diikuti dengan penganilan di udara pada suhu yang lebih tinggi. Ukuran rata-rata kristal ditentukan dengan persamaan Scherrer dari lebar setengah puncak difraksi sinar-X [5]. Penyiapan sampel yang lebih lengkap telah dilaporkan sebelumnya [6]. Sampel nanostruktur nikel oksida memiliki ukuran partikel rata-rata 2-3, 13 dan 18 nm yang kemudian berturut-turut disebut N1, N2, dan N3. Bentuk morfologi sampel didapatkan dengan menggunakan JEOL-JEM-2010 EX Electron Microscope. Data ukuran partikel yang didapatkan dari gambar TEM cocok dengan hasil perhitungan menggunakan XRD. Kurva histerisis magnetik sampel direkam menggunakan Vibrating Sample Magnetometer (VSM-5S, TOEI Industry Co., Japan) dengan medan magnet hingga 16 kOe pada suhu kamar (297 K).

Hasil dan PembahasanKurva magnetisasi dari sampel nanostruktur nikel oksida ditunjukkan pada Gambar 1a dan b. Kurva histerisis sampel N1 yang memiliki ukuran partikel rata-rata yang paling kecil menunjukkan bentuk ‘S’ dengan medan koersifitas yang sangat rendah, Hc = 193,6 Oe, yang dapat dikarakterisasi bersifat superparamagnetik. Pembandingan nonlinier least square dari kurva magnetisasi awal sampel N1 dilakukan menggunakan persamaan Langevin [1]. Hasil perhitungan ini menunjukkan magnetisasi jenuh, Ms dan momen magnet sisa, μ berturut-turut 2,544 emu/g dan ~1,8 x 104 Bohr magneton (μB).

Gambar 1. Kurva histerisis magnetip dari sampel N1 (a) dan sampel N2 dan N3 (b) pada suhu kamar. Kurva histerisis sampel N1 menunjukkan bentuk ‘S’ yang dikarakterisasi bersifat superparamagnetik sedangkan N2

dan N3 yang memiliki kurva linier bersifat superantiferomagnetik.

Kodama et. al. telah menunjukkan bahwa besarnya nilai momen magnet sisa yang dihasilkan oleh nanopartikel dari oksida logam transisi antiferomagnetik seperti nikel oksida terpengaruh oleh meningkatnya ukuran partikel. Ditunjukkan pula bahwa besarnya momen magnet sisa yang ganjil mungkin berasal dari struktur magnetik multisubkisi dari nanostruktur dengan jumlah subkisi magnetik meningkat dengan penurunan ukuran partikel rata-rata.[6]Pengaruh ukuran pada jumlah subkisi magnetik dari struktur bergantung kuat pada parameter permukaan seperti kerapatan ikatan dan kekasaran permukaan. Hasil perhitungan pengaruh parameter permukaan mengindikasikan bahwa untuk nanostruktur nikel oksida dengan ukuran partikel rata-rata 2-3 nm, jumlah subkisi magnetik sekitar 7-8 untuk parameter yang cukup luas dalam mengkarakterisasi permukaan tersebut. Untuk sampel N2 dan N3 dengan ukuran partikel rata-rata 13 nm dan 18 nm didapatkan kurva yang linier dan tidak mendapatkan nilai maksimum pada kuat medan 16 kOe. Dari Gambar 1, diketahui bahwa magnetisasi sampel dengan medan 16 kOe menghasilkan medan magnet ~0,2923 emu/g dan ~0,3316 emu/g dan nilai koersifitas 124,5 Oe dan 131,4 Oe, dimana keduanya jauh lebih kecil daripada hasil magnetisasi sampel N1. Dari hasil ini dapat dicatat bahwa meningkatnya ukuran partikel rata-rata menyebabkan kurva magnetisasi semakin linier.Dibandingkan dengan kurva magnetisasi awal sampel N1 yang secara jelas menunjukkan kesesuaian dengan fungsi Langevin dan bersifat superparamagnetik, sampel N2 dan N3 cenderung linier. Dari kurva ini didapatkan nilai suseptibilitas, χ, untuk N2 dan N3 berturut-turut adalah ~21,8 x 10-6 dan ~ 22,4 x 10-6 emu/g. Hal ini membuktikan bahwa pada suhu kamar, magnetisasi dari sampel N2 (13 nm) dan N3 (18 nm) didominasi oleh komponen

superantiferomagnetik. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa pada suhu kamar, nanopartikel nikel oksida dengan ukuran partikel rata-rata lebih besar dari ~10 nm akan memunculkan sifat superantiferomagnetik dengan kurva magnetisasi yang cenderung linier dan nilai suseptibilitas yang lebih besar dibandingkan dengan suseptibilitas antiferomagnetik nikel oksida bulki.

Gambar 2. Variasi total daerah antar-muka, Vif (a) dan Hc dan M pada H = 16 kOe (b) terhadap ukuran partikel rata-rata. Pengaruh ukuran pada sifat magnetik disebabkan oleh variasi fraksi volume pada

permukaan atom atas ukuran partikel rata-rata.

Total fraksi volume antar permukaan maksimum terjadi pada sampel N1 dengan ukuran partikel rata-rata yang paling kecil dan menurun seiring dengan meningkatnya ukuran partikel rata-rata. Variasi total daerah antar-muka, Vif, dan medan koersifitas terhadap ukuran partikel sampel ditunjukkan pada Gambar 2. Dari Gambar 2, didapatkan bahwa fraksi volume antar permukaan pada sampel N2 dan N3 berturut-turut sebesar ~ 21 dan ~15% yang berbeda sangat jauh bila dibandingkan dengan ~78% dari sampel N1. Salah satu penjelasan atas pengaruh ukuran pada sifat magnetik dari nanostruktur nikel oksida adalah kemungkinan adanya perbedaan konsentrasi dari ion Ni-3+ dan logam Ni dalam tiga material sampel yang sedang dipelajari. Tampaknya, lebih masuk akal jika pengaruh itu disebabkan adanya variasi fraksi volume pada permukaan atom atas ukuran partikel rata-rata.

KesimpulanSifat magnetik dari nanopartikel nikel oksida berbeda jauh dengan oksida bulkinya. Telah diamati bahwa nikel oksida dengan ukuran partikel 2-3 nm bersifat superparamagnetik dengan kurva magnetisasi yang sesuai dengan fungsi Langevin. Besarnya keganjilan momen magnet sisa dari sampel berhubungan dengan struktur magnetik dari multisubkisi. Sampel dengan ukuran partikel rata-rata yang lebih besar, yaitu 13 dan 18 nm, menunjukkan sifat superantiferomagnetik dengan kurva magnetisasi yang cenderung linier dan nilai suseptibilitas yang lebih besar daripada nikel oksida bulki. Hasil penelitian ini menunjukkan pentingnya permukaan atom dan permukaan pendorong terjadi penataulangan spin dalam penentuan sifat magnetik dari nanostruktur nikel oksida.

Ucapan Terima KasihPenulis MAK dan VB mengucapkan banyak terima kasih kepada Dr. Dimitri V. Louzguine atas bantuannya dalam pengukuran mikroskop elektron dan kepada Mr. Hirokai Fukumura untuk penentuan VSM. Salah satu penulis, V. Biju mengucapkan terima kasih pada Council of Scientific

and Industrial Research (CSIR), pemerintah India untuk bantuan finansial dalam bentuk beasiswa Senior Research Fellowship.

Pustaka

[1] Khadar, M. Abdul; Biju, V; Inoue, Akihisa; Materials Research Bulletin 2003, 38, 1341-1349[2] Ji, Hongbing; Wang, Tingting; Zhang, Meiying; She, Yuanbin; Wang, Lefu; Applied

Catalysis A:General 2005, 282, 25-30[3] Kodama, R.H.; Berkowitz, A.E.; McNiff Jr., E.J.; Foner, S.; Physical Review Letters 1996,

77, 394[4] Makhlouf, S.A; Parker, F.T.; Spada, F.E.; Berkowitz, A.E.; Journal Applied Physics 1997, 81,

5561[5] Ichiyanagi, Y.; Wakabayashi, N.; Yamazaki, J.; Yamada, S.; Kimishima, Y.; Komatsu, E.;

Tajima, H.; Physica B 2003, 329-333, 862-863[6] Kodama, H.; Makhlouf, S.A.; Berkowitz, A.E.; Physical Review Letters 1997, 79, 1393