Analysis of Superconductor of Nd1Ba2Cu3O7 and Nd3Ba5Cu8O18 Phases Using FTIR Spectrophotometer

Buletin Fisika Vol 21 No. 2 Agustus 2020 : 67 – 72

Analisis Superkonduktor Fase   Nd₁Ba₂Cu₃O₇   dan

Nd₃Ba₅Cu₈O₁₈ Menggunakan Spektrofotometer FTIR

Analysis of Superconductor of Nd₁Ba₂Cu₃O₇ and Nd₃Ba₅Cu₈O₁₈ Phases Using FTIR Spectrophotometer

I Gusti Agung Putra Adnyana¹*, Made Sumadiyasa², Nyoman Wendri³

^{1, 2, 3} Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran, Badung, Bali, Indonesia 80361

Email: *[email protected]; [email protected]; [email protected]

Abstrak – Telah dilakukan sintesis bahan superkonduktor fase Nd₁Ba₂Cu₃O₇, Nd₃Ba₅Cu₈O₁₈ dan Y3Ba5Cu8O18. Penelitian dilakukan untuk mengetahui apakah data dari fase Y1Ba2Cu3O7 dapat digunakan sebagai basis identifikasi bahan superkonduktor fase Nd₃Ba₅Cu₈O₁₈. Sintesis dilakukan dengan metode reaksi padatan (solid state reaction) yaitu mencampurkan larutan HNO₃ pada bahan campuran Y₂O_3, Nd₂O₃, BaCO₃, dan CuO. Rasio bahan-bahan yang digunakan disesuaikan dengan perhitungan stoikiometri. Sampel yang berupa pelet dengan diameter 1,5 cm disintering dengan suhu 950 ^oC selama 24 jam di dalam lingkungan atmosfir. Karakterisasi dilakukan menggunakan FTIR dengan standar KBr. Spektra hasil perhitungan secara teoritis dan data modus vibrasi dari YBa₂Cu₃O_7-δ dapat digunakan untuk mengidentifikasi fase Nd₁Ba₂Cu₃O₇, Nd₃Ba₅Cu₈O₁₈ dan Y₃Ba₅Cu₈O₁₈, dengan puncak absorpsi pada kisaran bilangan gelombang yang hampir sama yaitu 400-450 cm^-1 merupakan modus empat atom oksigen O(2,3), 426-439 cm^-1 merupakan modus in-phase atom oksigen O(2,3), serta modus vibrasi peaks O(4) teramati pada 488 cm^-1.

Kata kunci: Superkonduktor, reaksi padatan, FTIR, bilangan gelombang

Abstract – I has been synthesized superconducting materials of the Nd₁Ba₂Cu₃O₇, Nd₃Ba₅Cu₈O₁₈ and Y3Ba5Cu8O18 phases. The study was conducted to determine whether the data from the phase Y1Ba2Cu3O7 can be used as a base to identify superconducting material of the Nd₃Ba₅Cu₈O₁₈ phase. Synthesis was done by solid state reaction method with initial mixing in HNO3 solution mixture with Y2O3, Nd2O3, BaCO₃, and CuO, with the ratio adjusted to the stoichiometry calculation. Samples in the form of pellets with a diameter of 1.5 cm were sintered at 950 ^oC for 24 hours in an atmospheric environment. The FTIR measurements have been carried out with a standard KBr. The theoretical calculation spectra and vibration mode data from YBa2Cu3O7-δ can be used to identify Nd1Ba2Cu3O7, Nd3Ba5Cu8O18 dan Y₃Ba₅Cu₈O₁₈, with peak absorption in the range of wave numbers that are almost the same, namely 400450 cm^-1, which is the four oxygen atoms O(2,3) mode, 426-439 cm^-1 is the in-phase mode of oxygen atom O(2,3), and the vibrational mode of peaks O(4) is observed at 488 cm^-1.

Key words: Superconductors, solid state reaction, FTIR, wavenumber

• 1.    Pendahuluan

Salah satu superkonduktor bersuhu tinggi adalah superkonduktor sistem REBCO fase REBa2Cu3O7-d dengan RE merupakan unsur Y, Nd, Eu, Gd, Dy, atau Sm. Struktur kisinya terdiri dari lapisan-lapisan CuOx, BaO, CuO2, RE, Lapisan CuOx disebut lapisan basal dengan oksigen non-stoikiometri. Untuk x=0 lapisan basal hanya terdiri dari atom Cu dengan valensi Cu¹⁺ dan posisi oksigen (O1) kosong sehingga strukturnya adalah tetragonal. Sedangkan untuk x=1, lapisan basal berubah menjadi bidang CuO dan struktur kisinya adalah cenderung orthorombik. Struktur REBa₂Cu₃O₇-d untuk RE=Y, memperlihatkan adanya bidang persegi dan rantai bidang CuO. Atom Cu(1) yang terhubung dalam pita dimana terjadi rantai O(1)-Cu(1)-O(1). Tegak lurus arah tersebut, Cu(l) memiliki dua tempat oksigen yang kosong, menghasilkan struktur ortorombik.

Superkonduktor sistem REBCO menarik untuk diteliti karena aplikasi yang sangat luas, seperti untuk kabel transmisi daya dan Superconducting Magnetic Energy Storage Systems [1]. Disamping itu, struktur superkonduktor sistem REBCO memiliki dua jenis bidang CuO yang disebut sebagai bidang

persegi dan bidang rantai. Menjadi sangat penting untuk memastikan peran bagi setiap lapisan tersebut terhadap sifat superkonduksi bahan superkonduktor.

• 2.    Landasan Teori

  • 2.1    Modus Vibrasi YBa2Cu3O7

Dari teori group, secara teoritis modus vibrasi terkait dengan gerak atom pada posisi tertentu. Pada YBa₂Cu₃O₇ menghasilkan 36 modus vibrasi secara optik [2]. Gerakan oksigen di dalam molekul YBa2Cu307 melibatkan gerakan oksigen seperti modus axial stretch dari O(1) teramati pada kisaran bilangan gelombang 500 (555) cm^-1, in-phase O(2,3) bend pada kisaran bilangan gelombang 435 (448) cm^-1, (out-of-plane) O(2,3) bend pada kisaran bilangan gelombang 335 (424) cm^-1. Sementara modus axial stretch Cu(2) dan Ba masing-masing pada bilangan gelombang 140 (218) cm^-1 dan 118 (145) cm^-1 [3].

Shi, T. S. (1988) telah mengamati adanya tiga pita penting bagi YBa₂Cu₃O_x, yaitu pita antara 620640 cm^-1, 550-580 cm^-1 dan pada kisaran 590 cm^-1. Vibrasi stretch dari Cu-O (2,3) pada lapisan CuO2 berada pada kisaran 590 cm^-1, terutama pita pada 592 cm^-1 adalah pita absorbsi IR dari Y₁Ba₂Cu₃O₇ untuk x<6,5 dalam fase tetragonal [4].

• 2.2    Fase YBCO-358 (Y3Ba5Cu8O18)

Untuk bahan superkonduktor sistem YBCO dalam kaitannya dengan penambahan jumlah lapisan CuO2 di dalam setiap blok aktifnya, belakangan ini telah ditemukan fase YBCO-358 dengan Tc di atas 100 K. [5-7]. Fase YBCO-358 memiliki Tc yang lebih tinggi dari pada Tc fase YBCO-123. Hasil refinement Rietfeld pola XRD fase YBCO-358 kisi kristalnya memiliki simetri orthorhombik dalam group ruang Pmm2 dengan parameter kisi a=3,9211(3) Å, b=3,8514(1) Å, c=31,0170(0) Å [8].

Kation Ba(1) dan Ba(2) terletak di antara bidang Cu(1)-O dan Cu(3)-O. Bidang Cu-O di antara kation Ba(1) dan Ba(2) membentuk rantai Cu(2)-O sepanjang sumbu-b. Kation Ba(3), Ba(4) dan Ba(5) terletak di antara bidang Cu(5)-O dan Cu(8)-O. Bidang Cu-O yang berada diantara kation Ba(3) dengan Ba(4), dan diantara Ba(4) dengan Ba(5) masing-masing dalam bentuk rantai Cu(6)-O dan Cu(7)-O sepanjang sumbu-b. Bidang Cu(5)-O dengan Cu(4) dan bidang Cu(4)-O dengan Cu(3)-O masing-masing dipisahkan oleh kation Y(3) dan Y(2). Sementara itu di antara kation Y(3) dan Y(2) terdapat bidang Cu(4)-O dalam koordinasi tetrahedral dengan anion oksigen.

• 3.    Metode Penelitian

Diagram alir proses sintesis bahan supekonduktor sistem NBCO-358 ditunjukkan pada Gambar 1. Sampel Nd₃Ba₅Cu₈O_y disintesis dengan metode reaksi padatan (solid state reaction) yang diawali dengan pencampuran basah dengan menggunakan pelarut HNO₃. Bahan awalnya adalah berupa bubuk (powder) Y₂O₃, Nd₂O₃, BaCO₃ dan CuO. Setelah ditimbang sesuai dengan rumusan stoikiometrinya bahan dicampur di dalam pelarut kuat HNO₃ dan dipanaskan pada suhu 300^oC. Kerak yang dihasilkan digerus kemudian dilakukan kalsinasi. Hasil kalsinasi setelah digerus dilakukan sintering di dalam tungku dengan lingkungan atmosfer udara. Sampel selanjutnya dikarakterisasi menggunakan FTIR dengan standar KBr.

• 4.    Hasil dan Pembahasan

  • 4.1    Analisis Kontaminasi

Gambar 2 memeperlihatkan hasil pengukuran dengan FTIR pada rentang bilangan gelombang 400-4000 cm^-1. Dari gambar tersebut dapat teramati bahwa pada ketiga sampel memberikan pola yang serupa. Secara umum dapat diklasifikasikan menjadi tiga daerah, pertama, 3500-3000 cm^-1: stretch -OH pada bilangan gelombang 3450-3280 cm^-1 dan stretch -CH2- pada 3100-2750 cm^-1. Kedua, 1650-1350 cm^-1: stretch -COOH grup karboksilat pada bilangan gelombang 1700-1550 cm^-1, 1350-1340 cm^-1, dan 950800 cm^-1. Ketiga, <1350 cm^-1 (daerah sidik jari): absorbsi lemah dari vibrasi stretch CH-OH dan C-N [9] Dari gambar tersebut dapat juga teramati adanya penurunan tingkat absorbsi pada kisaran bilangan gelombang sama yaitu pada 3378 cm^-1 , 2846 cm^-1 ,1606 cm^-1 dan 1018 cm^-1. Besar penurunan absorpsi tersebut hampir sama pada fase Nd3Ba5Cu8O18 dan Y3Ba5Cu8O18, tetapi relatif lebih besar dibandingkan dengan fase YBa₂Cu₃0₇ Pada ketiga sampel dapat teramati adanya pita pada kisaran 2328 cm^-1 yang merupakan modus CO2 [10]. Adanya pita-pita absorpsi dari group fungsional tersebut mengindikasikan

bahwa sampel yang dihasilkan masih terkontaminasi oleh senyawa-senyawa yang mungkin terbentuk dari bahan awalnya.

Gambar 1. Digram alir proses sintesis supekonduktor sistem NBCO-358.

Gambar 2. Spektra FTIR NdBaCuO-123, NdBaCuO-358 dan YBaCuO-358 pada rentang 4004000 cm^-1.

• 4.2    Analisis Modus Vibrasi

Analisis fase Y3Ba5Cu8O18 dan Nd3Ba5Cu8O18 didasarkan pada bilangan gelombang hasil perhitungan secara teoritis dari fase YBa₂Cu₃0₇. Diketahui bahwa di dalam satu satuan sel dari fase YBa₂Cu₃0₇ terdapat 13 atom. Dari analisis teori group dapat diperoleh 39 modus-diri (eigenmodes) vibrasi-fonon yang mana 36 diantaranya adalah aktif secara optik dan 3 aktif secara akustik [11]. Dari struktur kristalnya fase YBa2Cu307 dan NdBa2Cu307 adalah serupa sehingga secara teoritis, ke 36 modus vibrasi yang terjadi pada YBa₂Cu₃0₇ kemungkinan juga dapat terjadi pada NdBa₂Cu₃0₇.

Struktur kristal fase Y3Ba5Cu8O18 memiliki bidang Cu-O sepanjang sumbu-c terdistribusikan dalam dua kelompok besar, yaitu pertama, berisi dua kation Ba dan satu rantai Cu-O. Kedua, berisi tiga kation Ba dengan dua rantai Cu-O. Dalam struktur kristalnya, empat bidang Cu-O dalam berkoordinasi pentahedral dengan anion oksigen, tiga bidang Cu-O dalam bentuk rantai sepanjang sumbu-b. Kedua kelompok tersebut dipisahkan oleh dua kation Y yang dipisahkan oleh satu bidang Cu-O dalam berkoordinasi tetrahedral dengan anion oksigen sebagai pemisah.

400    450    500    550    600    650    700    750    800

Bilangan gelombang (cm^-1)

Gambar 3. Spektra FTIR: (a) NdBaCuO-123, (b) NdBaCuO-358 dan (c) YBaCuO-358 pada rentang 400-800 cm^-1.

Dalam satu satuan sel Nd₃Ba₅Cu₈O₁₈ mengandung tiga rantai CuO yaitu Cu(2)-O), Cu(6)-O dan Cu(7)-O, dan empat lapisan Cu-O dalam koordinasi penthahedral anion oksigen yaitu Cu(1)-O, Cu(3)-O, Cu(5)-O dan Cu(8)-O, serta satu lapisan Cu(4)-O dalam koordinasi tetrahedral dengan anion oksigen. Sebagaimana diketahui daerah pada bilangan gelombang sekitar 400 cm^-1 adalah aktif-IR dari fonon yang melibatkan vibrasi ion logam, Cu(2)-O(2,3) dan modus bend Cu(1)-O(4)-Cu(2). Daerah di sekitar 600 cm^-1 adalah berhubungan dengan modus stretch Cu-O(2,3) pada lapisan CuO2 dan modus stretch Cu-O(4)-Cu pada oksigin epiks (jembatan) O(4).

Dari ke-36 modus vibrasi pada YBa2Cu307 secara teoritis terdapat 14 modus vibrasi yang bilangan gelombangnya di atas 400 cm^-1 [2]. Spectra FTIR pada rentang bilangan gelombang antara 400-800 cm^-1 dari sampel Nd₁Ba₂Cu₃O_y, Nd₃Ba₅Cu₈O_y dan Nd₃Ba₅Cu₈O_y dalam penelitian ini diberikan pada Gambar 2. Bilangan gelombang modus vibrasi yang nilainya mendekati modus vibrasi teoritis dari YBa₂Cu₃O₇ telah ditabulasi ditunjukkan pada Tabel 1.

Tampak sejumlah bilangan gelombang dari modus vibrasi Nd₁Ba₂Cu₃O_y, Nd₃Ba₅Cu₈O_y dan Y₃Ba₅Cu₈O_y hasil eksperimen yang mendekati bilangan gelombang hasil perhitungan modus vibrasi YBa2Cu3O7 pada referensi C. Thomsen and G. Kaczmarczyk, 2002 [2]. Dari Gambar 3 dapat teramati adanya puncak antara 400-450 cm^-1 yang merupakan modus dari gerakan secara vertical dan parallel dengan sumbu-c dari empat atom oksigen O(2,3). Puncak pada kisaran 426-439 cm^-1 merupakan puncak yang berasal dari modus in-phase atom oksigin O(2,3) pada lapisan CuO2 dalam YBa2Cu3O7-δ. Modus vibrasi apeks O(4) teramati pada kisaran 488 cm^-1. Pita yang teramati pada kisaran bilangan gelombang pada kisaran 509,6 cm^-1 dan 588 cm^-1 mungkin berhubungan dengan out-of-phase Cu-O(1)-Cu untuk modus optik transversal (TO) dan longitudinal (LO) [12].

Tabel 1. Bilangan gelombang dari modus vibrasi YBa₂Cu₃O_7-δ perhitungan teoritis*, dan hasil FTIR dari Nd₁Ba₂Cu₃O_y, Nd₃Ba₅Cu₈O_y dan Nd₃Ba₅Cu₈O_y.

YBa2Cu3O7-δ (Teori)* cm-1	Nd1Ba2Cu3Oy cm-1	Nd3Ba5Cu8Oy cm-1	Y3Ba5Cu8Oy cm-1
411	-	410,8	412,7
416	-	-	-
417	-	-	-
428	432,1	428,2	426,3
447	455,2	451,3	449,4
490	486,1	488,0	488,0
509	507,3	507,3	509,2
531 (540)	435,9	439,8	439,8
545	-	-	-
546	542,0	545,8	545,8
565	-	-	-
573	574,8	574,2	572,8
584	-	-	-
563 (588)	588,3	588,3	580,6

• 5.    Kesimpulan

Spektra hasil perhitungan secara teoritis dari modus vibrasi YBa₂Cu₃O_7-δ dapat digunakan untuk mengidentifikasi fase Nd₁Ba₂Cu₃O₇, Nd₃Ba₅Cu₈O₁₈ dan Y₃Ba₅Cu₈O₁₈. Puncak absorbsi dari modus vibrasi pada Nd₁Ba₂Cu₃O₇, Nd₃Ba₅Cu₈O₁₈ dan Nd₃Ba₅Cu₈O₁₈ berada pada kisaran bilangan gelombang yang hampir sama, yaitu pada bilangan gelombang 400-450 cm^-1 merupakan modus empat atom oksigen O(2,3), bilangan gelombang 426-439 cm^-1 merupakan modus in-phase atom oksigen O(2,3), serta modus vibrasi peaks O(4) teramati pada bilangan gelombang 488 cm^-1.

Ucapan Terimakasih

Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada LPPM Universitas Udayana yang telah mendanai penelitian ini melalui Dana PNBP.

Pustaka

• [1]    Cahaya, P., Suharta, W.G. dan Widagda, I G A., Pengaruh Variasi Waktu Sintering Terhadap Strutur Kristal Superkonduktor Y0.5La0.5Ba2Cu3O7-δ. Buletin Fisika, Vol. 17, No. 2, 2016. Hal. 34-40.

• [2]    Thomsen, C. and Kaczmarczyk, G., Vibrational Raman Spectroscopy of High-temperature Superconductors, Handbook of Vibrational Spectroscopy. John M. Chalmers and Peter R. Griffiths, John Wiley & Sons Ltd, Chichester, 2002.

• [3]    Krol, D. M., Michael Stavola, Schneemeyer, L. F., Waszczak, J. V. and Sunshine, S. A., Raman spectroscopy of single crystals of high-T_c cuprates. Journal of the Optical Society of America B , 6, 1989, pp. 448-454.

• [4]    Shi, T. S., Zhao, Y.G., Cai, P.X., Gu, H.F. and Xie, L.M., IR Absorption Peaks and Oxygen Vacancies in YBa2Cu3Ox, Basic Solid State of Physics, First Published 1 August 1988

• [5]    Aliabadi, A., Akhavan Farshchi, Y. and Akhavan, M., 2009, A new Y-based HTSC with Tc above 100 K, Physica C, 469, 2012.

• [6]    Udomsamuthinrum, P., Kruaehong, T. Nilkamjon, T. and Ratreng, S., The New Superconductors of YBaCuO Materials, J. Spercond. Nov. Magn. 23, 1377, 2013.

• [7]    Srinivasan, K., George Thomas C., Padaikathan, P. and Ashoka, N. V., Synthesis and Characterization of Fluorinated Superconducting Y3Ba5Cu8Oy, IJERA, 3, 2013,927.

• [8]    Tellez, D. A. L., Cabrera Baez, M. and Roa-Rojas, J., Structure and Conductivity Fluctuation of The Y3Ba5Cu8O18, Modern Physics Letters B, 26, 1250067-1, 2012.

Analysis of Superconductor of Nd1Ba2Cu3O7 and Nd3Ba5Cu8O18 Phases ………

(I Gusti Agung Putra Adnyana, dkk)

• [9]    Zhao, Y. E., Cai, C. Y., Luo, Y. Y. and He1, Z. H., FTIR Spectra of the M(EDTA)n- Complexes in the Process of Sol-Gel Technique, Plenum Publishing Corporation, 2004, pp. 383-387.

• [10]    Jordan Werbe-fuentes, Michael Moody, Oriana Korol and Tristan Kading, Carbon Dioxide Absorption in the Near Infrared, http://www.phy.davidson.edu/StuHome/derekk/Resonance/ pages/main.htm, (diunduh 31 Agustus 2015).

• [11]    Macfarlane, R. M., Hal Rosen and Seki, H., Temperature Dependence of the Raman Spectrum of the Height Tc Superconductor YBa2Cu3O7, Solid State Communications, 63, 1987.

• [12]    Jiang, C. Y., Yang, H. S., Xu, X. Y., Yu, F. Y., Sun, C. H., Ke, S. Q. and Leng, R. J., Infrared Spectra Study of Nd1.65-xTl0.5RxCe0.15CuO4+δ (R=Gd and Sm) Single Crystals, Physica C: Superconductivity, 471, 2011, pp. 19-22.

72