Pengaruh Penambahan Perak Oksida terhadap Rapat Arus Kritis Superkonduktor Tc Tinggi YBaJCuJO,~ (Didin S. W)

PENGARUH PENAMBAHAN PERAK OKSIDATERHADAP RAPAT ARUS KRITIS SUPERKONDUKTOR

Tc TINGGI YBa2Cu3O,-X

Didio S. Wioatapura, Wisou Ari AdiPusat Penelitian don Pengembangan Iptek Bahan BATAN, Serpong

Kawasan PUSPIPTEK Serpong -TangerangE-mail: Didinsw@batan.go.id

ABSTRAKPENGARUH PENAMBAHAN OKSffiA PERAK TERHADAP RAPAT ARUS KRlTIS PADA

SUPERKONDUKTOR Tc TINGGI YBazCu,O,.., Superkonduktor YB~CU30,./Ag20 telah dibuat melaJuireaksi padatan dengan campuran Ag2O masing-maing 0, S, 10, dan 20 persen berat dari setiap 2 gram prekusorYBa2Cu!O,... Pencampuran dilakukan di daJam mortal agate, yang kemudian diikuti dengan kaJsinasi pada 900 .Cselama 4 jam dan sintering pada 940 .C selama 10 jam. Karakterisasi dilakukan dengan difraksi sinar x, scanningelectron microscopy dan teknikprobe empat titik. Hasil pengukuran cuplikan menunjukkan bahwa superkonduktorTc tinggi YB~Cu!O,.x dan YB~Cu!O,./Ag20 memiliki struktur kristaJ orthorombik yang dicirikan oleh adanyapuncak pola difraksi (003), (110/103), (OOS), (113), dan (006). Temperatur kritis (Tc) YBa2Cu!O,.x danYBa2Cu3O,./Ag20 diperoleh masing-masing 89 K dan 88 K dan rapat arus kritis meningkat dengan kenaikan

penambahan A~O.

Kala kunci : Superkonduktor, temperatur kritis, rapat arus kritis.

ABSTRACT

EFFECT OF SILVER OXWE ADDITION THROUGH THE CRITICAL CURRENT DENSITYON YBa2Cu3O,-. HIGH Tc SUPERCONDUCTOR. YBa2Cu,O7-/A~O superconductor has been done byusing of solid states reaction. Of 0, 5, 10, and 20wt % of silver oxide were mixed with 2 gram of YBa2Cu,O,..precursors. The mixing was done in mortar agate, and then followed by calcinations at 900 .C for 4 hours andsintering at 940 .C for 10 hours. The characterization was done using x-ray diffraction, scanning electronmicroscopy, and four point probe technique. The result shows that YBa2Cu,O7.' high Tc superconductor has anorthorhombic crystal structure that featured by diffraction ~ttern peaks at (003), (110/103), (005), (113), and(006). The critical temperature (Tc) of YBa2Cu,O7.' and YBa2Cu,O,./A820 were obtained of 89 K and 88 Krespectively, and critical current density increases with increasing addition of A820.

Key words: Superconductor, critical temperature, critical current density.

PENDABULUAN

untuk berusaha mendapatkan Tc, Jc, dan sifat mekanikyang lebih tinggi lagi. Penelitian terdahulu menunjukkanbahwa STT Y -Ba-Cu memiliki kelemahan dengan sifatmekanik rendah (brittle) dan besarnya rapat arus kritis(Jc) terbatas [5]. Salah sam cara yang diprornosikan gunamengatasi kelemahan tersebut adalah denganmemadukan partikel petak (Ag) pada matrik STT Y -Ba-Cu. Petak (Ag) tidak membentuk senyawa dengan matrikSTT Y -Ba-Cu tetapi menempati celah kosong (voids) diantara butiran. Hal ini diperkirakan dapat menurunkanpororsitas dan mempeIbaiki kontak antar butir serta dapatmenurunkan residual stress yang dihasilkan olehekspansi butiran. Akibatnya, rapat arus kritis daDketahanan terhadap retakan (cracks) juga meningkat.

Bahan STT Y -Ba-Cu dengan Jc besar dan strengthtinggi merupakan persyaratan utama untuk dapat

Kegiatan intensif yang telah dilakukan untukmemperoleh superkonduktor Tc tinggi YB~Cu)07-X (STTY -Ba-Cu) ditempuh melalui dua metoda, yakni metodareaksi kimia (wet chemistry method) dan metoda reaksipadatan (solid state method). Metoda reaksi kimiadilakukan melalui pelarutan secara kimia yang kemudian

dekomposisi/reaksi pada temperatur tinggi, misalnyadilakukan melalui pelarutan garam cair NH4NO) [I],pelarutan garam cair urea+NH4OH [2], dan pelarutangaram nitrat+gliserol [3] yang telah berhasil dilakukan.Reaksi padatan antara bahan baku, misalnyamempersiapkan STT Y -Ba-Cu dari reaksi BaCO), Y 2°),dan CuO yang dipanasi pada T = 875-950 °C.

Dengan ditemukannya STT Y -Ba-Cu pada Tc =

90 K telah membangkitkan gairah dan minat yang besarbagi para peneliti baik dari dalam maupun luar negeri

21

Vol. 1 No.3, Juni 2000, hal: 21 -26lSSN: 1411-1098

Jurnal Sa ins Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

b. Identifikasi Struktur Krista. daDPengamatan Struktur Mikro

Struktur kristal STY Y -Ba-Cu dan STY Y -Ba-Cu/A~ 0 diukur dengan difraksi sinaI x (XRD) menggwlakansumber radiasi CuKcx. dari daerah 28 = 20 0 -80 0 pacta I =

30 mA daD tegangan 30 KV Mikrostroktur cupIikandiamati dengan scanning electron microscopy (SEM) danEDS.

c. Pengukuran Temperatur Kritis (Tc) daDRapat Arus kritis (Jc)

diaplikasikan pada industri komersial saat ini. Untuk highfield lebih besar dari 1 Tesla, antara lain untuk aplikasipada AC generators, motors, fusion, en~rgy storage,magnetohydrodynamic (MHD), dan untuk low fieldlebihkecil dari I Tesla, antara lain untuk aplikasi padatransmission cable, transformers, fault current limiter

(FCL) [5].Hail penelitian terdahulu misalnya Sing dkk [4]

menyatakan bahwa kekuatan (strength) daD rapat aruskritis (Jc) meningkat duakali lipat pada senyawa 123 yangdipadukan dengan Ag. Demikian pula dengan kekerasan(hardness) daD ductility menunjukkan kenaikan yangdiperhitungkan [6]. Akan tetapi parameter kisi daDtemperatur kritis (fc) tidak memperlihatkan kenaikan yangberaIti [7].

Pada makalah ini disampaikan pembuatankomposit STT Y -Ba-CuI Ag2 o dengan rute padatan daribahan baku BaC03, Y 2°3' daD CoO yang bertujuan untukmengetahui bukti secara ekserimen efek doping Ag2Oterhadap rapat arus kritis, Jc dan struktur mikronya.

TATA KERJA

a. Sintesis

Pembuatan S1T Y -Ba-Cu/ A~ o diIakukan melalui

reaksi padatan (solid state reaction) menggunakan bahan

baku BaC03, Y 2°3' dan CuO daD dicampur-kan dengan

Ag2OuntukukuranpersenberatO,5, 10,dan20.

Agar diperoleh campuran yang homogen,prekusor S1T Y -Ba-Cu/ Ag2O digerus di dalam mortal

agate selarna kurang lebih 3 jam. diikuti kalsinasi di dalarn

tungku udara biasa pacta 900 °C selama 4 jam dengan

kenaikan dan penurunan temperatur 300 or/jam. Cuplikan

yang telah dikalsinasi digerus kembali selarna 1 jam, dicetak

berbentuk pelet dengan ukuran diameter 1,5 cm, teba12-

3 nun, kemudian diikuti dengan sintering di dalam tungku

udara biasa pacta 940 °C selama 10 jam dengankenaikan

daD penurunan temperatur 60 or/jam. Secara skematik

diagram alirpembuatan S1TY -Ba-Cu/ A~O ditunjukkan

pacta Gambar I. Pacta Tabel I, diperlihatkan kondisi

penyiapan cuplikan S1T Y -Ba-Cu daD S1T Y -Ba-Cu/

Ag2O.

Pengukuran Tc daD Jc dilakukan dengan metodaprobe empat titik sebagai berikut :a Disiapkan cuplikan beIbentuk pelet dengan ukuran

diameter 1,5 cm dan ketebalan 2 mm.b. relet tersebut diborpada empat titik berjarak rnasing-

masing 2 mm dengan diameter lobang 0,5 mm. Kedalam lobang dimasukkan kawat peTak berukurandiameter 0,5 mm, direkatkan dengan pasta peTak dankemudian dikeringkan di dalam tungku.

c. Satu pasang kawat peTak dihubungkan dengansurnber arus DC dati range 0 -20 A, dan satu pasangkawat peTak lainnya dihubungkan denganmikrovoltmeter.

d. Pengukuran Tc dan Jc cuplikan dilakukanmenggunakan peralatan probe empat titik yangsudah standar daD kemudian dihubungkan dengan

komputer.e. Cuplikan diukur pada kondisi temperatur nitrogen

cairo

Diagram Alir Sintesis STT Y -Ba-Cu daD STTY -Ba-Cu/ Ag2O

Diagram alir sintesis pembuatan senyawa S1T Y -Ba-Cu daD S1T Y-Ba-Cu/A~O dengan tara padatanditunjukkan pada Gambar 1.

(J..Tabell. Kondisi penyiapan cuplikan-l, cuplikan-2, cuplikan-3,dan cuplikan-4. Identifiksai Struktur Kristal dan PengamatanStruktur Mikro. ...0...

Penimbangan dan pencampuranPrekursor Y -Ba-Cu dengan

0,5,10 dan 20 % berat Ag20,Diikuti dengan penggerusan

Perlakuan panas (oC)Kode I Ag20Icuplikan (% berat)

KarakterisasiKalsinasi , Sintering

XRD, SEM,Jc dan Tc (J...0 900 940Cuplikan-l

Kalsinasi pada 900 .CSelama 4 jam

XRD, SEM,Jc dan Tc

940Cuplikan-2 900

XRD, SEM,Jc dan Tc

900 940Cuplikan-3 10 ..Pengerusandan PeletisasiXRD, SEM,

Jc dan Tc94020 900

:

Cuplikan-4 I ~

22

Pengaruh Penambahan Perak Oksida terhadap RapatArus Kritis Superkonduktor Tc Tinggi YBaZCuJO,... (Didin S. W)

Gambar 1. Secara skematik diagram alir pembuatansuperkonduktor STT Y -Ba-Cu daD STT Y -Ba-Cu/ Ag.Omelalui metoda reaksi padatan.

BASIL DAN PEMBAHASAN

Pada saat pengujian efek Meissner terlihat bahwacuplikan-l melayang di alas medan magnet permanenSmCo setinggi kira-kira 3 mm selarna 30-40 detik. Begitupula cuplikan-2, cuplikan-3, dan cuplikan-4 melayangtetapi lebih rendah dan waktunya relatif lebih pendekdaTi 30 detik. Hal ini menyatakan bahwa pacta kondisinitrogen cair, cuplikan-l sarnpai cuplikan-4 memilikiperilaku superkonduktif. Hal tersebut dapat diketahuidengan jelas daTi data pengukuran hambatan listriknya.

Pola difraksi sinaI -x dari cuplikan-l menghasilkanpuncak -puncak difraksi yang tajam, hal ini menyatakanbahwa senyawa oksida Y -Ba-Cu cuplikan-l telahmengkristal dengan baik. Dari pengamatan sebelumnya[3,4] diperoleh bahwa cuplikan berfasa tunggal memilikibentuk kristal orthorombik dan grup ruang Pmmm

(No. 47).Dengan penambahan Ag2O terlihat struktur

kristalnya tidak berubah, akan tetapi tidak memiliki puncakintensitas yang tajam seperti pada cuplikan-l, ditunjukkanpada Gambar 3a, b, c, dan d. Hal ini meyatakan bahwapeTak tidak membentuk senyawa dengan matrik Y -Ba-Cu, tetapi terdistribusi secara acak. Diperkirakan bahwarasa Ag (Ill) teramati pada cuplikan-4 pada sudut sekitar

38,758 °yangberimpit dengan bidang (005), seperti padaGambar 3d.

Oksida Y -Ba-Cu dan Y -Ba-Cu/Ag2Omemperlihatkan perilaku superkonduktif, hal ini dapatdilihat pada basil pengukurnll hambatan listrik terhadapsuhu. Pada temperatur kamar (300 K) hambatan listrikcuplikan-l sekitar 5, 13 x 10-20. Harga hambatan listrik

~ 500.¥ 400~ 300 .

, 200

1000

20 30 40 50 60 70 80

C 2 tetha (deg)

Gambar 3. Pola difraksi sinar-x superkonduktor YBatCu,O,./A~O dari (a) cuplikan-2. (b) cuplikan-3, dan (c) cuplikan-4.

23

Vol. 1 No.3, Juni 2000, hal: 21 -26/SSN: 1411-/098

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal o/Materials Science

0 10 W 30

1'I.~.I~(Acm-2)411

kemudian turun secara 1inier seja1an dengan turunnyasuhu hingga kira-kira 129 K. Pacta pendinginanse1anjutnya, hambatan 1istrik turun secara tiba-tiba hinggamencapai transisi kritis superkodnduksi. Titik mulai terjaditransisi kritis (onset point) daD titik hambatan no11istrikdapat ditentukan berturut-turut pada suhu 129 K daD89,0 K seperti pada Gamabr 4a. Untuk cup1ikan-2 titiktransisi kritis daD titik hamabatan no1 dipero1eh berturut-turut pada suhu 103 K daD 88 K.

Dari pengamatan terdahulu [7, 8] memper1ihatkanbahwa subu kritis, Tc baik STT Y -Ba-Cu daD STT Y -Ba-Cui Ag2 0 yang dibuat melalui metoda garam uretan tidakmemeprlihatkan perbedaan yang berarti. Hal inimenyatakan bahwa Ag tidak menggeser kedudukan Ydalam matrik, sehinggajarak anatara Cu(2) dan 0(3) tidak

berubah.

.l' $g 41

.t :R I

0

+,

~10 lO 30

R.p~ ArIJ.,(A.(m'] .)

40()

Gambar 5. Kurva tegangan terhadap rapat arus superkonduktifTc tinggi (a) cuplikan-1 dan (b) cuplikan-2.

.ftVI(;(\r16jAg2O l

6, !g 4I :I

2I-- 1

/)

+-

,+

G .;0 60 90 120 1~ 1$0 210

Sulw \.'1(}

..::

to 20 30&",11 AlaI (kom'!,

40~

6

f 5g 4

t :l- I

0

~0/20%.J4.1~e4.f#i

0 :1() 60 ~ t2t) 1.10 IBQ 2l0

~'11h11 (J{)

Gambar 4. Resistivitas hambatan listrik terhadap suhu padasuperkonduktor Tc tinggi dari (a) cuplikan-l dan

(b) cuplikan-2.10 %I} j()

RIIpat AIII1I (A.c.!ll-~'

0 qO

Rapat arns kritis cuplikan-l yang diperoleh daTiplot kurva tegangan terhadap rapat arus sekitar12 A.cm-2. Rapat arns kritis mengalami sedikit kenaikan

menjadi 12,8 A.cm-2 dengan beI1ambahnya A~O, sepertipada Gambar 5a dan b. Bahan memperlihatkan perilakusemikonduktif setelah melalui ams kritis superkonduktif.Kemudian rapat arus kritis meningkat hingga mencapai20,3 A.cm-2 dengan penamabahan kandungan Ag2Ohingga 10 % berat, akan tetapi kemudian turun kembalike harga 17,8 A.cm-2. Setelah melewati ams kritis,tegangan naik secara linier terhadap arus yang diberikan.Hal ini memperlihatkan bahwa bahan memilki perilakulogam setelah melewati rapat arus kritis superkonduktif,sepeI1i pada Gambar 6a dan b.

Gambar 6. Plot kurva antara rapat arus kritis (Jc) vs persentasiAg.O pada superkonduktor Tc tinggi (a) cuplikan-l, (b) cuplikan-2, (c) cuplikan-3, dan (d) cuplikan-4.

Plot kurva rapat arus kritis terhadap penambahanpeTak oksida (A~ 0) ditunjukkan pada Gambar 7. Terlihat,

'1e:$

~

!0 , 2010

'YoDeratAgZO

Gambar 7. Morfologi permukanan superkonduktor Tc tinggi(a) cuplikan-l, (b)cuplikan-2, (c) cuplikan-3 dan (d) cuplikan-4

24

Pengaruh Penambahan Perak Oksida terhadap Rapat Arus Kritis Superkonduktor Tc Tinggi YBa2CUjO7_% (Didin S. W)

rapat arus kritis rneningkat dengan penarnbahan perakoksida(A~O) hingga penarnbahan 10 % berat, akan tetapikernudian turun kernbali dengan penarnbahan Ag2Oselanjutnya. Data basil pengukuran rapat arus clanternperatur kritis untuk cuplikan-l, cuplikan-2, cuplikan-3, clan cuplikan-4 dicanturnkan dalarn Tabel2.

Hasil pengamatan ini didukung dengan analisisidengan menggunakan EDS (energy disperse spectros-copy) melalui metoda back scattering electron. Analisitersebut menunjukkan bahwa yang berwama terangdiidentifikasi sebagai perak Ag, yang gelap adalahkekosongan (Voids) sedangkan yang berwama agak gelapdiidentifikasi sebagai matrik STT Y -Ba-Cu. PadaGambar 7 terlihat bahwa porositas atau voids berkurang

seiring dengan meningkatnya persentasi Ag2O.Berkurangnya porositas ini menyebabkan peningkatantitik singgung (link) yang cukup baik sehingga akanmeningkatkan Jc bahan ini. Namun pada penambahan 20% Ag2O, Jc menajdi turun. Terlihat pada Gambar 7(d) diatas Ag2O berubah menjadi sumber-sumber weak linkpada batas-batas butir. Weak link ini mengakibatkanterjadi hamburan elektron yang cukup banyak sehingga

terjadi disipasi panas yang cukup tinggi pada akhimyaakan menurunkan Jc bahan tersebut.

Tabel2. Hasil pengukuran temperatur dan rap at arus kritis cuplikan-I, cuplikan-2, cuplikan-3, dan cuplikan-4 menggunakan probeempat titik.

I Ktxr.cuplikan Agp(%berat) Fmksi vol~("/o)

13,8

20,3

Hasil pengamatan cuplikan menggunakanscanning electron microscope (SEM) diperlihatkan pactaGambar 7 dengan komposisi penambahan persen beratAg2O (a) 0 %, (b) 5 %, (c) 10 %, dan (d) 20 %. PactaGambar terse but tampak bahwa Ag secara acakterdistribusi merata di antara butiran matrik Y -Ba-Cu.

KESIMPULAN

Penambahan Ag2O terbukti tidak membentuksenyawa dengan matrik superkonduktor Tc tinggiYBa2Cu3O7-x dan temperatur transisi kritis (Tc)superkonduktor Y-Ba-Cu dan Y-Ba-Cu/Ag2O tidak

mengalami perubahan.Peningkatan rapat arus kritis ini disebabkan karena

berkurangnya porositas pada bahan tersebut. Rapat aruskritis Jc tertinggi terjadi pada penambahan 10 % beratAg2O sebesar20,3 A. cm-2 dengan temperaturtansisi kritisTc=88K.

UCAP AN TERIMAKASIH

Terimakasih diucapkan kepada Bapak DRWuryanto selaku Kepala P3IB dan DR Ridwan selakuKepala Bidang Zat Mampat atas segala kepercayaan dandukungannya, Drs. Bambang Sugeng, M. T. atasbantuannya mengkarakterisasi dengan difraksi sinar-x,dan Ari Handayani, B.E. atas bantuannyamengkarakterisasi dengan menggunakan SEM.

DAFT AR ACUAN

[1].

[2].

WURYANTO, Superkonduktor Y-Ba-Cu-O (123)dengan Media Garam Cair don (Molten Salt)NH40H, Pros. Seminar Nasional Ke 11 Kimiadalam Industri don Lingkungan, Ambarukmo PlaceHotel, Yogyakarta 15-16 Nopember 1993, 55.WURY ANTO, Sintesis SuperkonduktorYBa2Cuj°.,.x Melalui Prekursor Hasil PirolisisGaram Cair Urea danAmmonium Nitrat, ProsidingPertemuan don Presentasi 1/miah PenelitianDasar 1/mu Pengetahuan don Teknologi Nuklir,Yogyakarta, 25-28 April 1994.INDRA GUNAWAN, DIDIN S. WINATAPURAclan WURY ANTO, Majalah 1/miah LUK-BPP

[3].Gamba, 8. Morfologi permukaan superkonduktor Tc tinggi(a). cuplikan-l, (b). cuplikan-2, (c). cuplikan-3, (d). cuplikan-4

25

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 1 No.3, fun; 2()(X). hal.. 21 -26lSSN.. 1411-1098

[4].

[5).

[6].

[7]

Teknologi, 1 (1995) 45.J.P. SINGH, H.J. LEO, R.B. PEOPPEL daD G.T.GOUDEY, Effect of Silver Oxide Addition on theMechanical and Superconducting Properties of

YBa2CuJO7.x Superconductors.DAVID LAEBALESTIER, R.D. BLAUGHER, R.E.SCHW AL, R.S. SOKOLOWSKI, M. SUENAGA,daD O. WILLIS, Panel Report on Power Applica-tion of Superconductivity in Japan and Germany,World Technology Evaluation Centre, (1994).H.R. KHAN, T.L. FRANSCA Vll..LA, L.A. HEIN, C.S.P ANDE, S.B. QADRY, R.J. SOVJEN Jr., S.A. WOEF,JoumalofSuperconductivity, 3 (1990)189.WURY ANTO, PUDJI SULISWORO danYUSTINUS P., Sintesis SuperkonduktorYBa2CuJO 7.x- Ag Melalui Garam GaiT Uretan,Disajikan pada Simposium Fisika Nasional XVdan Seminar ASPEN, IKIP Surabaya, 11-13Desember 1994.MARZUKI SILALAHI, DIDIN S. WINATAPURAdaD WURY ANTO, Pembuatan Keramik KompositSuperkonduktor YBa2CuJO7-X lAg dengan MetodaReaksi Kimia, Dipresentasikan pada Seminar Sainsdan Teknologi Nuklir, PPTN Bandung, 19-20 Maret1m.

[8].

26