TURUNNY

A SUHU KRITIS SUPERKONDUKTOR LaSrCuOKARENA DOPING GADOLINIUM}

Muhammad Margono2

ABSTRAKTURUNNYA SUHU KRITIS SUPERKONDUKTOR LaSrCuO KARENA DOPING GADOLINIUM. Superkonduktor

suhu kritis tinggi sistem Lal RSSr"ISCUO4 telah berhasil dibuat sebagai cuplikan standar. Substitusi sebagian unsur Gadolinium (Gd)terhadap unsur Lantanum (La) dilakukan pada sistem tersebut. Pengukuran suhu kritisT c dilakukan dengan susceptometer ac diLaboratorium Fisika FMIPA VI Depok. Konsenlrasi Gd dari senyawa GdxLaIRs-xSrOJSCuO4 bervariasi dari x = 0 sampai dengan

0.]6 mol. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa nilai Tc menurun secara lambat. Baik cuplikan standar maupun cuplikan hasildoping menunjukkan bahwa nilai T c konstan selama kurun waktu 135 dan 1 OOhari setelah pengukuran awal.

ABSTRACTTHt DECRtAStNG OF CRITICAL TEMPERATURE OF THE SUPERCONDUCTOR LaSrCuO IS CAUSED BY

DOPING GADOLINIUM. High T, LaStCuO superconductor system have been made and used as the standard sample. Partialsubstitution of Gd for La have been conducted in the system. T, measurement was performed by using an ac susceptometer. Gdconcentration in Gd,LaI8s_,SrolsCuO4 compound was varied from 0 up to 0.16 mol. The result showed that T, decreased relativelyslowly. Both standard sample and doping sample showed that T, was constant after .135 and 100 days, respectively. from the first

measurement.

KEY WORDSusceptibility, Lantanum, Calcinatio

khususnya di laboratorium Fisika

Depok.'MIPA VIPENDAHULUAN

METODOLOGI

Bahan yang dipergunakan pada penelitian iniadalah : La203, Sr(N°3)2, CuO dan Gd2O3 dengankemumian sedang (99%). Dan Untuk peralatan

penunjang dipergunakan: tungku (yang dapatdiprogram), neraca analitik, lumpang danpenggerus, mangkok berlin, alat cetakcuplikan/pelet (dies), alat tekan hidrolik, crucibleboot, desikator dll. Alat ukur suhu kritisdipakai Susceptometer a.c milik LaboratoriumFisika FMIPA U.I Depok, dan alat ukur X-Raydifraction milik PPSM-BA TAN PUSPIPTEKSerpong untuk mendapatkan pola difraksi.

Pembuatan cuplikan standar dilakukanmenurut diagram alur sesuai dengan Gb. 2.1.Pembuatan cuplikan senyawa basil doping, yaituGdxLaI8S-xSrOISCuO4 dengan variasi nilai x dari0.01 hingga 0.16 mol serupa dengan diagram alurpada Gb. 2.1, hanya ditambahkan unsur Gd padasaat penimbangan. Proses kalsinasi dilakukanmenurut Gb.2.2 dan program tungkunya sesuaidengan Tabel 2.1.Kalsinasi adalah tahapan perlakuan panas terhadapserbuk campuran padat pacta suhu tertentu (suhutinggi di bawah suhu sintering) clan untuk tujuantertentu. Kalsinasi diperlukan sebagai penyiapanserbuk keramik untuk diproses selanjutnya clanuntuk mendapatkan ukuran partikel optimum. Danjuga bertujuan untuk menguraikan garam atau

Teori modem superkonduktor telah lamadikembangkan clan disebar luaskan oleh tigaserangkai yaitu Bardeen, Cooper clan Schrieffersejak tahun 1957 yang kita kenaI sebagai teoriBCS [I]. Salah satu sifat terpenting darisuperkonduktor adalah pada suhu rendahresistivitas listriknya menurun drastis. Suhutersebut tergantung pada stoikiometri senyawasuperkonduktor yang dibuat. Resistivitas Dol(konduktivitas tak terhingga) dikenal sebagaisuperkonduktivitas. Superkonduktor pada waktusekarang telah banyak diaplikasikan pada bidanglaboratorium maupun transportasi, yaitu sebagaikomponen magnet superkonduktor, sakelarkomputer dll [2].

Superkonduktor suhu kritis tinggiLal 85SrO 15CUO4 (Tc= :t 37 K) telah banyak diteliticlan dipublikasikan tetutama pada tahun 1987.Untuk mengetahui lebih banyak data tentangsuperkonduktor tersebut clan sifat unsur Gd, makadilakukan substitusi sebagian un sur tanah jarangYallg mempunyai momen magnet lokal cukupkuat. Penelitian ini memfokuskan pada suatupengujian kestabilan senyawa clan mengetahuiseberapa jauh unsur Gadolinium yangdisubstitusikan sebagian terhadap Lantanum akanberpengaruh terhadap sifat superkonduktivitas,khususnya subu kritis dari senyawa [3]. Variasipembuatan senyawa dimaksudkan untukmendapatkan suatu metode yang paling sederhanadengan fasilitas yang ada di laboratorium

-

Pros;dinJ! Pertemuan I/m;ah Sa;ns Mater; /997 /SSN /4/0 -2897

hidrat menjadi oks ida, membentuk rase kristal danukuran partikel yang diinginkan serta untukdehidrasi.

Tabel 2. Program tungku untuk kalsinasi.

Prl PL1 Pd. Pr2 PL2"C/menit "c meRit "C/menit "c

15 800 0 10 950

PrJ PLJ I PdJ Pr4 PL4 Pd4"C/menit "c meRit "C/menit "c men it

I 50 ~ end end 50 end

Proses sintering merupakan proses penyatuanpartikel-partikel bahan dengan difusi zat padat.Tahapan ini bertujuan untuk menghilangkan pori-pori diantara partikel awal, kemudian bersenyawadan tumbuh bersama dan menghasilkan ikatanyang kuat diantara partikel-partikel yangberdekatan. Sintering dilakukan denganpemanasan cuplikan yang telah dicetak berbentukpelet pada suhu tinggi tertentu. Penurunan suhudari suhu sintering secara teratur dan perlahan-lahan agar terjadi proses pengurangan tekananinternal, menstabilkan bentuk dimensi danmemperhalus ukuran sel. Dengan demikiantahapan annealing tidak perlu dilakukan. Diagrampemanasan untuk proses sintering mirip dengandiagram kalsinasi, perbedaannya terletak padaprogram dwell. Untuk sintering program dwe//-nyaadalah 24 jam.

Pengukuran susceptibilitas a.c dilakukansetelah proses sintering selesai dan suhu cuplikantelah mencapai suhu kamar. Pengukuran dimulaisetelah alat mencapai suhu minimum, dan alat inidapat mencapai suhu 15 K. Untuk mencapai suhurendah 15 K dapat ditempuh dalam waktu :t 5 jamdimulai dari suhu kamar. Pemasukkan danpengeluaran batang pemegang cuplikan dilakukansecara manual dengan kecepatan :t 20 cm/menit,hal ini agar tidak terjadi pembekuan setempat yang

dapat menghambat lajunya batang pemegangcuplikan.

Gambar 2. Diagram alur Pembuatan sampel

superkonduktor LaI8SSrOISCuO4'

HASILSR Waktu (men it)

Pr = Program ramp rate (Iaju pertambahan suhu per menitPL = Program Level (Level suhu yang akan dicapai)Pd = Program Dwell (Lama level suhu dipertahankan)SR = Suhu ruang

Cuplikan StandarCuplikan standar sebelum didoping adalah

senyawa: Lal8SSrOlSCuO4 .Dari sebanyak ]4 kalipembuatan (@ 3 buah cuplikan) diperoleh basilyang cukup dapat dianggap sebagai acuan dengannilai suhu kritisnya adalah 35.3 K. Dan untukselanjutnya pembuatan cuplikan dengan sistemdoping dilakukan sarna seperti cuplikan standar,yaitu suhu kalsin = 950 °c , waktu kalsin 3 jam,

suhu sinter] 040 °c dan waktu sinter 24 jam. Tiaptahap pembuatan cup]ikan dipilih kondisi yangtidak pecah clan tidak deformasi. Hasil pengukuransusceptibilitas sebagai fungsi suhu dari cup]ikanstandar dapat dilihat pada Gb.3.].

Gambar 2.2. Diagram pemanasan untuk kalsinanasi.

Penggemsan dilakukan dengan sangat hati-hati agar serbuk tidak terkontaminasi yang dapatmengganggu sifat superkonduktivitasnya.

Pembentukan relet dengan alat cetak (dies)dengan tekanan 2 sampai dengan 3 ton. Cuplikanhams dijaga agar tidak terkontaminasi sisa serbukyang tidak diinginkan, produk karat dari alat cetakdll.

272

/'ros;d;nJ! Pertemuan Ilm;ah Sa;ns Mater; /997 /SSN [4/0 -2897

Cuplrkan Hasil DopingPembuatan cuplikan GdxLal.85-xSrO.15CuO4

dengan nilai x divariasikan dati 0.01 sampaidengan 0.16 mol dilakukan 17 kali @ 2cuplikan, kemudian dipilih 10 cuplikan sajayanglayak dievaluasi dan rekapitulasi hasil pengukurandapat dilihat pada TabeI3.1.

5aEm

~.n~~~iR~'"

~Gambar 3.2. Grafik hubungan antara T If c.o daD konsentrasi

Gd{mol) daTi senyawa Gd"LaI8s-xSrolsCuO4.Garis lurns hanya sebagai pemandu.

; " PEMBAHASAN

+~

-.-X' I

--Q !XEf(X)~.!!-~ -5 CXEOO '

:c~Co -1 (XEa!GI(JUI~(/) -1~;

Sample Lal.8SSrO.ISCuO4Hasil optimum yang telah diperoleh dari

pembuatan superkonduktor Lal8SSrOlSCuO4dengan metode yang dilakukan mulai dari

prosedur pencampuran sampai dengan sinteringpada penelitian ini mempunyai suhu kritis (T c) =

35.3 K. Tc yang diperoleh tidak dapat lebih tinggilagi, hal ini diantaranya disebabkan oleh : I. Tidakdilakukannya aliran oksigen pada saat prosessintering clan proses annealing, 2. Bahan tidakmempunyai kemumian tinggi. Biasanya untukmencapai T c lebih tinggi digunakan bahan dengankemumian tinggi (kandungan minimum 99.999%).Sedangkan dalam penelitian ini digunakan bahandengan kemurnian 99%. Oari proses pembuatantemyata variasi suhu clan waktu pada proses

kalsinasi, sintering clan annealing berpengaruhterhadap suhu kritis. Oari hasil pengukuransusceptibilitas cuplikan , temyata masihmenunjukkan sifat superkonduktor dengan T c yangkonstan setelah disimpan selama 135 hari di

dalam desikator. Nilai susceptibilitas imajiner X"tertinggi sebesar = 1.84 x 10-3 yang diartikan

sebagai rugi-rugi ac (ac losses) clan cuplikanbelum dapat disebut bulk (100% material bersifat

superkonduktor) [4].

-2.(XE{J2 ,

15 23 27 31 ~ :9 -t3

Sfu~

Gambar 3. Grafik susceptibilitas fungsi suhu datisuperkonduktor Lal85SrOlSCuO4o

'abet 3.1 Rekapituiasl hasil pengukuran susceptibilitas

GdxLa18S-xSrO ISCUO4.

T.(K)No. KonsentrasiGd (mol)

Konsentrasi

_GdJ!-'!:l35.3 &34.3

34.2

33.1

32.5

28.3

31.7

19.1

18.6

17.6

15.6

.14

0

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.12

0.13

0.14

0.15

0.16

0

0.54

0.81

1.08

1.35

1.62

6.49

7.03

7.57

8.11

8.65

(I

9

10

II Cuplikan Hasil DopingDari basil pengukuran susceptibilitas cuplikan

GdxLaI8S-xSrOISCuO4 temyata terjadi penurunan Tcyang relatif lambat bila dibandingkan dengancuplikan standar. Fraksi superkonduktivitas dapatdihitung daTi nilai X pada saat pengukuran awal(suhu terendah yang dapat dicapai). Untukkeadaan bulk (100 %) nilai X = -]/47t .(4) Contoh

perhiiungan fraksi superkonduktivitas : Jika nilaiXI = -].6 X 10-2, maka fraksinya = XlIx x ]00 % =-1.6 X 10-2 x -4 7t X ]00 % = 20 %. Fraksi

Oari Tabel 3.] dapat dibuat grafik hubunganan tara perbandingan suhu kritis (T crT t,o) dankonsentrasi Gd seperti ter]ihat pada Gambar 3.2.T c,O ada]ah T c cuplikan acuan untuk konsentrasi Gd=Omol.

273

Pros;d;nJ! Pertemuan //m;ah Sa;ns Mater; 1997 /SSN 14/0 -2897

2.superkonduktivitas tertinggi diperoleh padasample dengan kandungan Gd = 0.12 mol, yaitu

sebesar 37.7%

Tabel 3.2. Fraksi superkonduktivitas yang berhasildibuat.

FraksiSuperkonduk

tivitas %

!<m:l)

! 3

Ketidak sempumaan pembuatan cuplikandapat diketahui dengan cukup teliti, yaknidengan melihat bentuk grafik yang tidakteratur pada layar monitor alat. Ketidakteraturan bentuk grafik tersebut disebabkanantara lain: adanya kontaminasi, keadaancuplikan retak, pecah atau deformasi,perlakuan panas tidak teratur atau penurunansuhu sintering tidak sesuai, dll.Pengaruh unsur Gd tidak secara drastismenurunkan suhu kritis superkonduktorLa18SSrOlSCuO4 meskipun nilai Gd telahmencapai 9%.

Nilai X Suhu

(Arb. Units) Pengukuran awal T

(K)-1.6 X 10.2 15

-1.3 x 10-2 15

-0.9 x 10-2 15

-1.6 x 10.2 26.5

-3.0 x 10-2 15

-2.6 x 10-2 15

-2.6 x 10-2 14

-1.6 x 10-2 14I

-t.6 X 10-2 14

~

~0.02

0.03

0.16

DAFTARPUSTAKA

2016.3

11.32037.7 .

32.732.720

~

20

'-'-"-'"~ O<XE+{X!.!.

[I] BOURDILLON and BOURDIL, T., "HighTemperature superconductors, Processingand science", Academic Press Inc., London(1994).

[2] OMAR, "Elementary Solid State Physics;Principles and Apllications", Addison-Wesley Publishing company, Massachusetts(1974).

[3] KHAN, "Superconductivity", Encyclopedia ofPhysical Science and Technology, vol. 6,(1992).

(4] MARTIN NIKOLO, Am. J. Phys. 63 (I)( 1995).

-1!XE-I11

"6-..OJIn~ -2 !XE-I11In LAMPIRAN 1" ~

~~/~ ~i-3!XE-a2

15 16 17 18 19 ~ 21 22 23

Suhu rK)

Gambar 3.3. Grafik Susceptibilitas fungsi Suhu dari

senyawa GdO.12Lal.73SrO,ISCuO4' Toturunmenjadi 19,1 Kakibatdopingunsur Gd (0,12 mol).

Cuplikan dengan konsentrasi Gd = 0.03 mol

masih menunjukkan Tc yang konstan padapengukuran kedua setelah disimpan selama 100hari di dalam desikator. Contoh basil pengukuransusceptibilitas fungsi suhu senyawa ini dapatdilihat pada Gb. 3.3.

.' ..". 'f...rota difraksi sinar-X dari cuplikan GdoLal8SSrOlSCuO4dengan data: Gd = 0 mol; X -Ray: Cu, 30 kY, 30 IDA.

Slit: (SS) -I deg; (OS) -I deg; (RS} -0.6 mm.

LAMPI RAN 2.

KESIMPULAN

Oari hasil pengukuran susceptibilitas accuplikan superkonduktor yang telah dibuat dandiperkuat dengan tinjauan pustaka, maka dapatditarik kesimpulan sebagai berikut :I. Oengan metode pembuatan yang sederhana

dan didukung oleh peralatan yang tersediatelah berhasil dibuat material superkonduktordengan suhu kritis 35.3 K dan fraksi terbesaradalah 37.7%.

Pola difraksi sinar-X dari cuplikanGdol6Lai 69SrO ISCUO4 dengan data: Gd = 0.16; mol; X-

Ray: Cu, 30 kV, 30 mA. Slit: (SS) -1 deg (OS) -1 deg;(RS) -0.6 mm.

274