SIFAT LISTRIKSUPERKONDUKTORYBa2Cu307. E.Sukirman1*, …repo-nkm.batan.go.id/5749/1/1381-2719-1-SM.pdfpenghambat pergerakan vorteks terhadap gaya Lorentz FL = J x B, dimana J dan B

PENGARUH INKLUSI FASA-211 TERHADAP

SIFAT LISTRIK SUPERKONDUKTOR YBa2Cu307.

E. Sukirman1*, W. Ari Adi,}, D. S.Winatapura0 dan Yustinus"

ABSTRACT

Effect ofthe211-phase inclusion to the electrical properties ofYBa2Cu307.x superconductor grown bya melt-texturing process has been investigated. The qualitative and quantitative analysis was carried out bythe x-ray diffraction technique usingthe Rietveld methode andthe electrical properties were investigated bythefour pointprobe methode. The analysisresults show that thehighestcritical current density was obtainedon the 123-phase matrix containing 35 weight%ofthe211-phase. Due to the211-inclusionin the 123-phase,thefluxflow phenomenon does not longer exist. The criticalcurrent Jc in the 123-phase increaseon accountofthe 211-inclusion, where as the Jc tend to increae with increasing the 211-phase content. The further of211-phaseincrease, however, lead to a decreaseofJc value.

Kata kunci: Fasa-211 Inclusion, YBCO ElectricalProperties.

PENDAHULUAN

High Tc Superconductor (HTS), yaknisuperkonduktor oksida Y-Ba-Cu-0 (YBCO),Bi-Sr-Ca-Cu-0 (BSCCO) dan Tl-Ba-Ca-Cu-O(TBCCO), sangat menarik untukdiaplikasikan, karena bahan-bahan itu dapatmenghantarkan arus super pada suhu nitrogencair (T = 77 K). Aplikasi HTS jauh lebihekonomis dan lebih praktis dibandingkandengan aplikasi superkonduktor logam {Low TcSuperconductor) yang beroperasi pada suhuhelium cair (T = 4 K). Namun demikianaplikasi HTS terkendala oleh rendahnya rapatarus bahan tersebut, akibat lemahnya link antarabatas-batas butir kristal dan tidak adanya pusat-pusat jepitan yang berfungsi sebagaipenghambat pergerakan vorteks terhadap gayaLorentz FL = J x B, dimana J dan B berturut-turut adalah rapat arus dan intensitas medanmagnet eksternal.

Link antara batas-batas butir dapat

diperkuat dengan pengorientasian butir-butirkristal (menumbuhkan tekstur), yang mana halini bisa dicapai dengan proses pelelehan [1].Sedangkan penjepitan vorteks dilakukandengan menanamkan inklusi berupa partikeI-partikel kecil fasa hijau Y2BaCu05 di dalammatrik Fasa-123. Partikel fasa hijau inilah yangakan menjepit vorteks sehingga vorteks tidakdapat bergeser tanpa terlebih dahulu mendapattarnbahan energi yang besar [2].

Adanya peningkatan rapat arus kritis Jvdalam YBa2Cu307.x (Fasa-123) yang dibuatdengan teknik pelelehan telah dilaporkan olehbeberapa peneliti terdahulu [3-13]. Walaupunterdapat banyak variasi pelelehan, namunsemua variasi tersebut pada dasarnya terdiridari dua proses, yakni proses pembentukanFasa-123 dari Fasa-211 dan pembentukan fasacair (BaCu02 + CuO) melalui proses-pendinginan lambat melewati suhu peritektik(Tp« 1000°C) dalam lingkungan udara. Struktur

0 Peneliti PBIN - BATAN, Puspiptek, Cisauk 15314Tangerang, Banten. Telp. / Fax : 021-7650148, E-mail : [email protected]

Pengaruh inklusi fasa-211 terhadap sifat listriksuperkonduktor YBa2Cu307.x(£". Suklrman, dkk)

79

mikro cuplikan hasil proses pelelehan terdiridari domain-domain Fasa-123 yang besarberbentuk pelat-pelat sejajar.

Pada penelitian terdahulu [14], prosespelelehan YBa2Cu307.x dilakukan berdasarkanskema pada Gambar 1. Cuplikan YBaiCuiO?^hasil proses sintering di bakar di dalam tungkupada 1100°C selama ta = 0,2 jam (B-C), lajupemanasan R\ = 300°C/jam. Cuplikankemudian didinginkan ke 1000°C dengan lajuR2 = 400°C/jam. Selanjutnya didinginkansecara lambat ke 900°C dengan laju R$ dankemudian didinginkan lagi dengan laju R4 =60°C/jam hingga suhu ruang dalam lingkunganudara. Hasil analisis menunjukkan bahwa rapatarus tertinggi Jc = 115 A/cm2, diperoleh padacuplikan dengan R$ = 10°C/jam dan di dalammatriks Fasa-123 terdapat 0,4 % Fasa-211.Pada penelitian ini berhasil ditunjukkan bahwastruktur mikro Fasa-123 hasil proses pelelehanterdiri dari butir-butir berbentuk pelat-pelatyang terorientasi ke satu arah (pelat sejajar).Hingga tahap ini, penyebab rendahnya Jt didugaakibat masih sedikitnya jumlnh knndungnnFasa-211.

Waktu (sat. sernbarang)

Gambar 1. Proses pelelehan YBa2Cu307.x.

Pada penelitian selanjutnya [IS], didapatJc = 230 A/cm2 dan di dalam matriks terdapat35,8 % Fasa-211. Tampak bahwa kandunganFasa-211 di dalam matriks telah meningkat 89kali, namun Jc hanya meningkat 2 kali dari

80

harga scbelumnya [14]. Dugaan yang nuinculkemudian adalah boleh jadi ada batasan jumiahkandungan optimum Fasa-211 di dalam matriksFasa-123 agar diperoleh Jc maksimum.Disamping itu muncul pertanyaan, kenapaperbedaan jumiah kandungan Fasa-211 sangatbesar pada kedua penelitian tersebut, padahalkondisi perlakukan panas sama.

Konfirmasi bahwa di dalam matriks

Fasa-123 hasil proses pelelehan terbentukFasa-211 yang cukup besar, telah dilakukanpada penelitian berikutnya [16], dalam hal inidiperoleh angka 20,9 % Fasa-211. Namundemikian, pada eksperimen tersebut [16], sifatlistrik cuplikan tidak diamati, sehinggakonfirmasi harga Jcdan indikasi tentang adanyajepitan fluks belum bisa ditunjukkan. Tujuanpenelitian sekarang adalah untuk mempelajaripengaruh inklusi Fasa-211 terhadap sifat listriksuperkonduktor untuk dapat menunjukkanadanya korclasi yang ciat antara Jc dankandungan Fasa-211 di dalam matriks Fasa-123. Cuplikan akan memiliki Jc tertinggi jika didalam domain-domain Fasa-123 tersebut

Iculapal .scjimilah leitenlu prcsipilal l-nsa-21 I.

LANDASAN TEORI

1. Pusat Jepitan Vorteks

Suatu bahan disebut superkon-duktor jikamenampilkan dua sifat, yakni tidak memilikiresistivitas, p = 0 pada suhu T < Tc dan induksimagnet, B = 0 di dalam superkonduktor.Resistivitas nol, atau dengan kata lainkonduktivitas tak berhingga, teramnti pada suhudi bawah suhu kritis Tc. Namun demikian jikapada bahan dilewatkan arus yang lebih tinggidari pada rapat arus kritis Jc, superkonduktivitasbahan akan hilang. Demikian pula, ketikasuperkonduktor didinginkan hingga di bawah Tcdalam lingkungan medan magnet eksternalyang lemah, maka kuat medan magnet di dalamsuperkonduktor menjadi nol, artinya fluksimagnetik ditolak dari bagian dalam

MESIN, Volume 8 Nomor 2, Mel2006, 79- 90

superkonduktor. Perlu dicatat juga bahwa akanselalu ada kuat medan magnet kritis BCtsehingga jika medan magnet eksternal melebihiBc maka superkonduktivitas bahan hilang. Efekpenolakan medan magnet ini disebut efekMeissner-Ochsenfeld dan bahan berada dalam

keadaan Meissner {Meissner state) [2].

Ada dua tipe superkonduktor, yaknisuperkonduktor tipe-I dan tipe-I I. Superkonduktor tipe-I adalah superkon-duktor yangmenghalau seluruh fluksi magnetik atau samasekali tidak mampu mengusir fluksi magnetiksehingga bahan akhirnya menjadi normalkembali. Medan yang diperlukan untukmenghilangkan superkonduktivitas cuplikandisebut medan kritis Bc. Pada superkonduktortipe-II ada dua medan kritis, yakni medan kritisbawah, Bc\ dan medan kritis atas, Bc2.Pengusiran seluruh fluksi magnetik dari bahansuperkonduktor hanya terjadi hingga medan Bc\.Jadi jika medan terpasang lebih kecil 2?c],superkonduktor tipe-II berperilaku persisseperti superkonduktor tipe-I di bawah Bc. Jikamedan terpasang berkekuatan antara Bc\ danBc2, fluksi magnetik sebagian menembus kedalam bahan. Antara Bc] dan Bc2superkonduktor dikatakan ada dalam keadaantercampur {mixed state). Di atas Bc2 bahankembali ke keadaan normal {normal state).Penetrasi fluksi magnetik pada superkonduktortipe-II ditunjukkan pada Gambar 2 [2].

Meissner stttteB<BCI

Ml

IrfrMixed state

B('j <B< B^'2Normal state

B<BC2

Gambar 2. Penetrasi fluksi magnetik padasuperkonduktor tipe-II.

Pengaruh inklusi fasa-211 terhadap sifat listriksuperkonduktor YBa2Cu307.x {E. Sukirman, dkk)

Pada daerah medan magnet terpasang :Bc\<B<Bc2t fluksi magnetik sebagian menembuscuplikan superkon-duktor dalam bentukfilamen-filamen mikroskopik kecil yang disebutvorteks. Diameter vorteks pada superkonduktorkonvensional adalah sekitar 100 nm. Vorteks

terdiri dari teras normal, dimana medan magnetyang besar menembus teras tersebut. Vorteksdikelilingi oleh daerah superkonduksi, padadaerah superkonduksi mengalir arus super, arussuper tersebut berperan mempertahankanmedan di dalam teras. Setiap vorteks membawafluksi magnetik sebesar : 0() = 2,067 x 10'15Weber dan induksi magnet B dikaitkan secaralangsung dengan jumiah vorteks per m3 (w)melalui persamaan :

B = n 0o (1)

Jika bahan dialiri arus listrik, arus akanmenggeser vorteks-vorteks. Vorteks yangsedang bergerak menciptakan medan listrik Eyang memenuhi persamaan :

E = d&/dt (2)

Akibat adanya medan listrik tersebut, maka arusJ melepaskan {to dissipate) energi sebesar E.J.Disipasi energi ini ekivalen dengan resistivitasp > 0 Q.cm. Perlu usaha agar arus yang lebihbesar tetap dapat dialirkan tanpa terjadi disipasienergi di atas Bcl. Caranya adalah denganmenjaga agar vorteks-vorteks tidak bergerakatau sekurang-kurang tidak mudah bergerakketika arus dialirkan. Hal ini dapat dicapaidengan menjepit vorteks-vorteks atau menjepitfluksi magnetik.

Adanya penembusan sebagian fluksimagnetik ke dalam bahan ternyatamenguntungkan, karena bahan menjadi mampumenahan medan magnet yang besar tanpa hamskembali ke keadaan normal. Medan kritis Bc2

bisa mcncapai 150 T (pada HTS). Pada medanyang lebih besar Bc2* superkonduktor kembalike keadaan normal [2].

Rapat arus kritis (Jc) bukan sifat intrinsiksuperkonduktor dan J, sangat bcrgantung padastruktur mikronya. Oleh karena itu,pengontrolan struktur mikro sangat pentingdalam preparasi superkon-duktor oksida (HTS)agar memiliki Jc tinggi. Penyebab rendahnya Jcdi dalam HTS adalah karena lemahnya linkantara batas-batas butir kristal dan tida adanyapusat-pusat jepitan yang berfungsi sebagaipenghambat pergerakan vorteks.

Khusus untuk superkonduktor sistemYBCO, yang adalah superkon-duktor tipe-II,proses pelelehan ternyata selain cukup efektifdalam memperkuat link antara batas-batas butirmelalui pengorientasian butir-butir kristalnya,juga dapat menyebabkan terbentuknya partikel-partikel fasa-211 yang terdispersi secara meratadi dalam matriks YBCO. Partikel-partikelfasa-211 inilah yang berperan sebagai pusat-pusat jepitan bagi vorteks [2].

2. Flux Flow

Misalkan ada sepotong kawatsuperkonduktor tipe-II diletakkan di dalamlingkungan medan magnet luar Ba, dimanaBc\<Bz<Bc2. Kawat superkon-duktor tersebutkemudian dialiri arus / yang besarnya terusdinaikan. Asalkan arus itu masih lebih kecil

dari arus kritis Sc, maka pada kedua ujung kawattidak akan ada beda tegangan, atau dengan katalain : tidak adaflux flow. Namun ketika arus /dinaikan hingga lebih besar dari /c, maka antarakedua ujung kawat akan teramati tegangan V(volt), yang besarnya berbading lurus denganbesarnya arus / (Ampere) yang dialirkan danmemenuhi hukum Ohm : V = I.R, dimana Radalah resistansi (Ohm), muncul akibat adanyafluxflo [\Jl

Besarnya arus kritis Ic bergantung padakadar fasa impuritas di dalam kawat, lebihmurni kawat, maka /c akan lebih kecil.

82

Disamping ilu, jika kawal lidak mcngandungimpuritas, maka akan terjadi fenomenafluxflowyang tidak ohmic yang disebut taff {thermallyassisted flux flow). Taff terjadi manakala arusyang dialirkan pada bahan sudah mendekatiharga 7C dan pada bahan terjadi peningkatansuhu, maka fluktuasi suhu tadi menyebabkanvorteks bergerak akibat tidak ada penjepitvorteks [17].

Gambar 3. Sepotong kawat superkon-duktortipe-II, dialiri arus /di dalam lingkungan

medan magnet Bc\<Ba<Bc2.

c«WDB

w

Normal state

Mixed state

0 Jc Arus, /Gambar 4. Kurva tegangan, Vterhadap arus, /

pada superkonduktor tipe-II.

BAHAN DAN TATA KERJA

1. Preparasi Cuplikan

Dalam penelitian ini disiapkan cuplikansuperkonduktor YBa2Cu307_x dengan metodereaksi padatan {solid state reaction), yaknisuatu proses yang terdiri dari kegiatanpenimbangan unsur penyusun : Y203, BaC03dan CuO yang masing-masing memiliki

MESIN. Volume 8 Nomor 2, Met 2006, 79 - 90

kemurnian minimal 99,9 %, pencampuran,kalsinasi dan sintering [14]. Serbuk hasil proseskalsinasi, setelah digerus selama 1-2 jam,ditekan di dalam sebuah die dengan tekanan 6,5ton selama minimal 60 detik. Dalam percobaanini dibuat 10 buah pelet YBa2Cu307.x, masing-masing berat 5g, diameter ^ = 2 cm, tebal / « 4mm. Pelet-pelet ini selanjutnya disebut cuplikanFasa-123.

Fasa hijau Y2BaCu05 (Fasa-211)disintesis dari bahan baku serbuk : Y2O3,BaC03 dan CuO, masing-masing dengankcmurninn minimal 00,0 %. Bahan hakuIciscbul dilimbang beidasarkan pcrbandinganmol ion Y:Ba:Cu=2:l:l. Penimbangandilakukan dengan neraca analitis hinggaketelitian tiga angka di belakang koma.Selanjutnya dilakukan pengadukan dengan caramenggerus di dalam mortar agate selama5 jam. Kemudian dilakukan proses kalsinasipada 900°C selama 6 jam dengan lajupemanasan dan pendinginan masing-masing300°C/jam, maka diperoleh serbuk berwarnahijau gelap. Setelah digerus selama 1 jam,serbuk dibentuk menjadi sebuah pclct. PclclY2BaCu05 dibuat dengan cara yang samadengan pelet Fasa-123 di atas. Pelet tersebutdisinter pada 1050°C/10 jam dengan lajupemanasan dan pendinginan masing-masing60°C/jam. Pelet hasil proses sinter tersebutberwarna hijau dan selanjutnya disebutFasa-211.

Pelet-pelet Fasa-123 dan Fasa-211masing-masing digerus kembali sehinggadiperoleh serbuk yang halus. Kemudian kedalam Fasa-123 ditambahkan Fasa-211,sehingga diperoleh 5 buah campuran denganperbandingan berat seperti ditunjukkan padaTabel 1. Kelima campuran Fasa-123 danFasa-211 selanjutnya disebut cuplikan YBCO-M0, YBCO-M1, YBCO-M2, YBCO-M3 danYBCO-M4. Setiap campuran digerus selama 1jam, kemudian kelima campuran tersebutmasing-masing dicetak kembali menjadi pelet

Pengaruh inklusi fasa-211 terhadap sifat listriksuperkonduktor YBa2Cu307-x {E. Sukirman, dkk)

dengan cara yang sama seperti sebelumnya.Setiap campuran terdiri dari 2 pelet denganberat masing-masing 4 g.

Kelima cuplikan kcnuidian dilclchkanmengikuti diagram perlakukan panas sepertiditunjukkan pada Gambar 1. Tampak padagambar tersebut, cuplikan dipanaskan menuju1100°C dengan laju 400°C/jam (A-B), ditahanpada suhu itu selama 0,2 jam (B-C) [1].Cuplikan kemudian didinginkan ke 1000°Cdengan laju 400°C/jam (C-D). Selanjutnyadidinginkan secara lambat ke 900°C, lajuiO'V/jam (D-l ) dan kcmudiaii didinginkanhingga suhu ruang, laju 60"C/jam (B-F) dalamlingkungan udara.

2. Karakterisasi Cuplikan

Karakterisasi cuplikan meliputi sifatlistrik dan struktur kristal cuplikan, keduabesaran tadi berturut-turut dievaluasi denganmemakai probe empat titik (PET) dandifraktometer sinar-x (XRD). Sifat listrik bahandiamati, pertama dengan mengukur besaranrcsislausi sebagai lungsi suhu dan kedua,dengan mengukur tegangan sebagai fungsi arus.Dari pengukuran yang pertama diperolehbesaran suhu transisi kritis bahan, Tc.Sedangkan dari pengukuran kedua diperolehrapat arus kritis bahan, Jc. Skema PETditunjukkan pada Gambar 5. Pada diagram ini,empat kabel {probe) disentuhkan padapermukaan cuplikan.

Tc diukur dengan mengalirkan arus listrikyang konstan di sepanjang (permukaan)cuplikan melalui probe-X dan 4 (lihat Gambar5). Arus listrik yang konstan diperoleh darisebuah sumber arus atau penyedia daya sepertiditunjukkan. Jika cuplikan memiliki resistansiterhadap aliran arus listrik, maka akan adapenurunan tegangan ketika arus mengalirsepanjang cuplikan tersebut. Misalkan, antaraujung kabel {probe) yang berkode 2 dan 3terdapat perbedaan tegangan sebesar V-&. Maka

83

resistansi cuplikan antara probe-2 dan 3 bisadihitung, asalkan tegangan V2i dapat diukur.Tegangan diukur dengan menggunakan sebuahvoltmeter digital. Jadi, resistansi cuplikanantara probe-2 dan 3, R23 = K23/7i4, dimana7)4 = arus yang keluar dari penyedia daya,harganya tetap. Arus yang mengalir melaluirangkaian probe-2, voltmeter, dan probe-3dapat diabaikan karena impedansi voltmetersangat tinggi. Jadi, karena tidak ada penurunantegangan pada rangkaian probe-2, voltmeter,dan probe-3, resistansi R-n yang diukur benar-benar resistansi superkonduktor antara probe-2danprobe-3.

Sumber arus Ampermeter

4—®~lVoltmeter

r®-|3 l SiS

3 4

Cuplikan

Gambar 5. Probe Empat Titik.

Jc superkonduktor diukur dengan caramembenamkan cuplikan di dalam nitrogen cair,kemudian 7|4 dinaikan secara bertahap mulaidari nol Amper. Karena bahan bersifatsuperkonduktor, K23 tetap menunjukkan angkanol Volt walaupun 7|4 terus diperbesar. Namunpada harga 7|4 tertentu, bahan mengalamitransisi dari keadaan superkonduktor kekeadaan normal, ditandai dengan mulaiteramatinya tegangan pada Voltmeter {V2i > 0volt). Arus pada saat terjadi transisi adalah aruskritis, 7C,

84

Pola difraksi sinar-X diukur

menggunakan XRD-Philip, Jenis : PW1710,Target: Cu, X- 1,5406 A, arus 7= 20 mA dantegangan V = 30 kV, daerah pengukuran 20 :20°-80°, lebar langkah : 0,02° dan preset-time :0,05 detik. Data intensitas terhadap sudutdifraksi dianalisis dengan metode Rietveld [18].

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil analisis kualitatif dengan metodeRietveld pada Fasa-123 dan Fasa-211ditunjukkan pada Gambar 6. Analisis dilakukandengan asumsi bahwa di dalam cuplikanmasing-masing hanya ada Fasa-123 dan Fasa-211. Tampak pada gambar tersebut bahwaprofil pola difraksi hasil kalkulasi (garis malar)berimpit dengan profil data observasi (garistitik-titik). Kualitas fitting dapat dilihat padaprofil selisih harga intensitas hasil pengamatandan hasil kalkulasi, dimana deviasi intensitasterhadap sudut 26, relatif kecil baik untuk Fasa-123 (Gambar 6a) maupun untuk Fasa-211(Gambar 6b). Hal ini berarti bahwa parameterfitting baik di dalam cuplikan Fasa-123,maupun cuplikan Fasa-211 sesuai denganasumsi, yakni parameter-parameter fasatunggal, artinya tidak ada fasa lain di dalammasing-masing cuplikan. Fasa-123 memilikisistem kristal : ortorombik, grup ruang :Pmmm, Vol. I, No. 47; parameter kisi:a = 3,888(1) A, b = 3,823(1) A, c = 11,685(3)A, a = P = y= 90° dan faktorS = 1,22. Fasa-211memiliki sistem kristal: ortorombik, grup ruang: Pnma, Vol. I, No. 62; parameter kisi: a =12,167(2) A, b = 5,654(1) A, c = 7,125(1) A, a= B = y = 90° dan faktor S = 1,04. Kualitasfitting {goodness of fitting) juga dapat dilihatdari harga faktor S, dimana nilai standarRietveld adalah Ss, = 1,30 [18], semakin kecilharga faktor S semakin baik kualitas fitting.Tampak bahwa kedua profil pola difraksiGambar 6a dan 6b memiliki faktor S yang kecil,bahkan lebih kecil dari harga Sxl.

MESIN, Volume 8 Nomor2, Mei2006, 79 - 90

V5

c4>

2000-

1500-

1000-

1W

r : ;|i I . ))H:i| -n; i i p:i(i pi?i;iifli)ii.aji5i-iifiiii;iiii;ia«iiii^ i DiiniiDjaoil juijavEPBUiajii.n^ jntitijiit sjia«^^?*^»«l»^i.^> <%> r» Ml if 'i*i>'» »«•••>''•»» i '* nit**'** «•»•»•

IAi ! i !

500-

tiilXJmitix mifAn

(a):o> coT- CO

0- *ti/bttxJSapammt^t nJlmmII ||! : It i I- II I • :i; :P l| \ ] ;ffl: I: Dpi |l 8 » III DO Hill II: IBtl 9

. '„ '. i' 1. -' J r ••'' ' VJr '"' ' ~f1 • •••' : "' ' |J*^ "' '•'•—-'••* ' fc' ' ' • •"*;*'••

#--#•ilBlili: (I Ull IIIIMIIIIIMIII

| I I I I I I i i i | i i i i I

20 30

i I i i i i I i i i i | i i i i |

40 50 60

TTT | I I I I |

70 80

Sudut, 20(clerajat)Gambar 6. Profil poladifraksi hasil analisis dengan metode Rietveld pada

data difraksi sinar-X dari cuplikan : (a). Fasa-123 dan (b). Fasa-211

Tabel 1. Fraksi massa Fasa-211 di dalam

matriks Fasa-123 dan faktor S.

CuplikanYBCO-

Fasa-211 (% berat)Faktor

S

Metoda

Rietveld

Metoda

Langsung

M0 27 22 1,16

Ml 45 34 1,26

M2 59 51 1,36

M3 54 52 1,57

M4 53 53 1 U43

Gambar 7 adalah profil pola difraksi hasilanalisis dengan metode Rietveld pada cuplikanYBCO-M0 (a), YBCO-M1 (b), YBCO-M2 (c),YBCO-M3 (d) dan YBCO-M4 (e). Kelima jeniscuplikan masing-masing terdiri dari Fasa-123dan Fasa-211. Sederet garis-garis pendekvertikal adalah posisi puncak-puncak Bragg,masing-masing untuk Fasa-123 (deretan bagianatas) dan Fasa-211 (deretan bagian bawah).Profil yang menggambarkan kualitas fitting ada

Pengaruh inklusi fasa-211 terhadap sifat listriksuperkonduktor YBa2Cu307.x (£". Sukirman, dkk)

di bawah deretan garis-garis pendek vertikal,baik pada Gambar 7(a), 7(b), 7(c), 7(d),maupun Gambar 7(e).

Tampak pada gambar tersebut bahwaintensitas puncak tertinggi Fasa-211 hasilkalkulasi (garis malar), yakni puncak (311)pada 26 » 29,85°, lebih rendah dari intensitasobservasi (garis titik-titik) baik pada YBCO-MO, YBCO-M1, YBCO-M2, YBCO-M3maupun YBCO-M4. Hal ini diperlihatkan lebihjelas pada Gambar 8 untuk cuplikan YBCO-M0. Sehingga berdasarkan metode Rietveld,puncak tertinggi Fasa-211 bukan lagi puncak(311) melainkan puncak (112) pada 26 «30,51°. Hal ini terjadi karena faktor koreksi :orientasi preferred khususnya untuk Fasa-211masih belum akurat. Oleh karena itu kuantitasFasa-211 di dalam matriks Fasa-123 hasilanalisis dengan metode Rietveld perludikonfirmasi dengan metode lain, dalam hal inidigunakan metode langsung {direct method)[19]. Kuantitas Fasa-211 (C„) dan kuantitas

85

CO

2. 3000 -=(e)

.~J|aju/V, " "n. ' nil A1 n' i la 'an milfi'jBli JUiHilBiH". tnBU'm

i *]f \}J] — - —• • i • - -• *•* • •' * ' . * '

iibjlhjuui

(d)COCO

» 2000 -ic<u

^*^^*+^^^^**^^**W~^^^^** ^-m*^**—m*+****^^*

♦.» uim ..?•• mi uv 11' •• ii v raift wfc* Jimm^ium^uiimMwmvl!Aii I|l»iM»WlVll ••* «*MW^»A

(c)

1000 •=

11.11... HjU^A i«i^—»••*••• »A»i MM«pv«*»Nfc^*^^p*

m" in J ii V 1111 fc iU nil MHhAMMAd fiMkt'ulBSitlalV^Jfc^«4%^»—^•rf^^^w"*^*'^*^"**"^***"*

— nft\ io/Vi •*—#*.. iiAiiii : ^ »i i »•(b);

, " "n, " .,( i11!1 mdi ft 'odd mihm^M^H^^ihM^m^mi_. ... .Vn'i 1 i'n,,p.l.>.P..tJ..'.!.l^!«J,-**<< ••... ».W...P', ' V•••*^*.

raVtU

0-i -•& OJL.f.'l ~ '1. -IgrH •V- L'-JM

L^A ^ -A -JVa*.* - i ^i*i • f*i i..'r. i. * '- 1 ' ** ' " " ' "" "a i " nil i."ii" i i'i ft 'no null MA IfaMUUM't AiAUmWWfflnWH

(a)

-1000- j"i j i i I i i i i ( i i i i I i i i i j i i i i | i i i i j i i i i i i i i i | i i i i I i ' i • | ' ' ' ' I ' ' ' ' |20 30 40 50 60 70 80

Sudut, 20(derajat)

Gambar 7. Profil pola difraksi hasil analisis dengan metode Rietveld pada data difraksi sinar-X daricuplikan :YBCO-M0 (a), YBCO-M1 (b), YBCO-M2 (c), YBCO-M3 (d) dan YBCO-M4 (e).

Fasa-123 {Cp) di dalam matriks Fasa-123ditentukan secara langsung denganmembandingkan inten-sitas puncak tertinggikedua fasa tersebut, yakni : Ia //p ~ CJCp danCa + Cp= 1. Data fraksi massa Fasa-211 didalam matriks Fasa-123 dan faktor Sditunjukkan pada Tabel 1.

Tampak bahwa di dalam cuplikanYBCO-M0 terdapat lebih dari 20 % fraksimassa Fasa-211, padahal bahan baku cuplikantersebut adalah murni Fasa-123 dan pada awalproses pelelehan Fasa-211 tidak ditambahkanke dalam matriks Fasa-123. Data inimengkonfirmasi hasil penelitian terdahulu[15,16] bahwa ketika Fasa-123 di bakar didalam tungku pada 1100°C selama beberapamenit (sekitar 12 menit), sebagian Fasa-123(YBa2Cu307.x) terurai menjadi Fasa-211(Y2BaCuOs) dan fasa cair L(3BaCu02+2CuO).Cuplikan kemudian didinginkan secara cepat ke1000°C. Pada suhu sekitar 1000°C, idealnyasemua Fasa-211 bereaksi kembali dengan fasa

86

cair L membentuk matriks Fasa-123 sesuaidengan reaksi kimia : Y2BaCu05 +L(3BaCu02+2CuO) -> 2YBa2Cu3Ox.

31.0 32.0 33.0 34.0

Sudut, 26 (derajat)

Gambar 8. Profil poladifraksi sinar-X hasilobservasi (titik-titik) dan kalkulasi (garis malar)

dari cuplikan YBCO-M0.

MESIN, Volume 8 Nomor2, Mei 2006. 79 - 90

Namun karena sebagian fasa cair Lmengendap pada crucible, maka sebagian Fasa-211 tidak memiliki padanan reaksi dan akhirnyaterjebak di dalam matriks Fasa-123. Dalamckspcrimcn ini lebih dari 20 % fraksi massaFasa-211 yang terperangkap di dalam fasamatriks. Kuantitas Fasa-211 pada YBCO-Ml,YBCO-M2, YBCO-M3 dan YBCO-M4 adalahakumulasi dari Fasa-211 yang ditambahkanpada awal proses dan Fasa-211 yang terbentukpada saat proses pemanasan. Oleh karena itu,fraksi massa Fasa-211 di dalam keempat jeniscuplikan yang disebut terakhir lebih besar daripada di dalam YBCO-MO. Tampak pada Tabel1 bahwa fraksi massa Fasa-211 di dalam

matriks Fasa-123 meningkat tajam hinggapenambahan 10 % berat Fasa-211 danselanjutnya menunjukkan kejenuhan.

Superkonduktor selain memilikiresistivitas p = 0 Q.cm, juga dapat menolakmedan magnet. Fenomena ini biasa disebutefek Meissner. Efek Meissner bukan

konsekuensi dari adanya p = 0 Q.cm, melainkansifat intrinsik atau ciri khas keadaan

superkonduktor. Cara yang paling mudah untukmengetahui apakah bahan bersifatsuperkonduktif adalah dengan uji efekMeissner. Hasil uji efek Meissner menunjukkanbahwa pelet Fasa-123, YBCO-MO, YBCO-Mldan YBCO-M2 melayang di atas magnetpermanent SmCo, ini berarti cuplikan-cuplikantersebut adalah superkonduktor. Sedangkancuplikan Fasa-211, YBCO-M3 dan YBCO-M4tidak menampakan adanya efek Meissner. Jadiketiga jenis cuplikan yang disebut terakhiradalah bahan non superkonduktor. Oleh karenaitu, pengukuran sifat listrik hanya dilakukanpada keempat jenis cuplikan yang disebutpertama.

Hubungan antara resistivitas p(Q.cm)terhadap suhu 7T[K) pada Fasa-123, YBCO-MO,YBCO-Ml dan YBCO-M2 ditunjukkan padaGambar 9. Tampak pada gambar tersebutbahwa p(Q.cm) berkurang sejalan dengan

Pengaruh inklusi fasa-211 terhadap sifat listriksuperkonduktor YBa2Cu307.x (£". Sukirman, dkk)

penurunan suhu dari suhu ruang sampaidijumpai fenomena superkonduktivitas, yakniterjadinya penurunan harga resistivitasmendadak menuju p « 0 Q.cm pada T = T(.Keempat jenis cuplikan memiliki suhu transisikritis Tc « 90 K. Data ini mengkonfirmasibahwa suhu transisi kritis adalah besaran

instrinsik fasa superkon-duktor, tidakdipengaruhi oleh rekayasa struktur mikro ataukomposisi cuplikan. Namun demikian padaT > Tc, keempat jenis cuplikan memilikip(Q.cm) berbeda-beda, data ditunjukkan padapada Tabel 2. Hal ini berarti bahwa resistivitasadalah besaran ekstrinsik, bergantung padastruktur mikro bahan.

o

X

£o

EJO

£

«f3>

100

80-

60

40-

.2 20-

2 o-J

80 120 160 200 240

Suhu, T(K)

Gambar 9. Grafik hubungan antara resistivitas p(Q.cm) terhadap suhu T{K)

Kenapa pada keadaan superkonduksi,p « 0 Q.cm ?. Ketika superkon-duktordidinginkan hingga suhu T < Tc, maka gaselektron-elektron individual yang saling tolak-menolak itu mentransformasikan dirinyasedemikian sehingga elektron-elektron tersebutmenjadi berpasang-pasangan. Dengan kata lain,elektron-pertama dengan momentum dan spintertentu terkopel lemah dengan elektron-keduayang memiliki momentum dan spinberlawanan. Pasangan-pasangan ini disebutpasangan Cooper. Perekat kedua elektronsehingga bisa berpasangan adalah gelombang

87

elastik kisi yang disebut fonon. Jadi, elektron-elektron yang membentuk pasangan memilikimomentum total nol. Dari relasi de Broglie :p = 2% h.X'\ dimana p, h dan Xberturut-turutadalah momentum, konstanta Planck danpanjang gelombang, jelas bahwa manakala p =0, maka panjang gelombang X menjadi tidakberhingga. Dalam optika, suatu gelombangakan dihamburkan hanya jika jarak antarapusat-pusat penghambur di dalam suatu volumesetara dengan panjang gelombangnya. Jelaslahbahwa dalam kasus superkonduktor peristiwahamburan elektron-elektron tersebut tidak akanterjadi. Oleh karena itu pasangan-pasanganCooper tidak dapat dihamburkan olehpcnghnmbur penghambur bmip.i clckhonelektron individual, sehingga/? = 0 Q.cm.

Dari persamaan : p = 2ns {VII), dimana s=jarak antar probe, V= V2i dan 7=7I4 (Gambar5), tampak bahwa jika p « 0 Q.cm, maka V=0volt [20]. Artinya pada keadaan superkonduksi,tidak ada tegangan di dalam cuplikan. Jadi, aruslistrik mengalir bukan karena ada bedategangan. Arus yang demikian disebut arussuper. Fenomena superkonduksi inidiformulasikan dengan persamaan London :E = 4nX2 (dJJSt), dimana E = medan listrik,Jx = kerapatan arus superkonduksi, t = waktudan X= characteristic length [2]. Tampak daripersamaan London di atas, bahwa jika E = 0atau V- 0 makaJs harganya tetap tidak berubahterhadap waktu. Jadi arus super tetap dapatmengalir tanpa ada beda tegangan. Fenomenaarus super ini dapat dilihat juga dari datapengukuran tegangan, V (volt) terhadap arus, 7(A) ditunjukkan pada Gambar 10. Tampakbahwa walaupun arus 7 dinaikan dari 0 hingga7 = Ic, namun tegangan V masih tetap, 0 volt(dalam penelitian ini digunakan kriteriategangan 0,0001 volt sebagai titik nolvoltmeter). Data arus kritis 7t. ditunjukkan padaTabel 2. Tegangan listrik baru teramati pada /> Ic dan rapat arus kritis Jc dihitungmenggunakan rumus : Jc - ISfas) [20],hasilnya ditunjukkan pada Tabel 2.

88

Tabel 2. Resistivitas p (*10'3Q.cm),resistansi R(*10"3Q), arus kritis Ic (A) dan

rapat arus kritis Jc (A.cm2).

BesaranCuplikan YBCO- |

Fasa-123 M0 Ml M2 1Ic 0,6 2,2 2,4 1,6

Jc 5 17 20 13

R 2,57 3,65 5,34 4,72

P 3,20 4,72 6,92 6,55 1

80

O 60^

c- 40

en

I. 20

04)

•: Fasa 123

• M.ro Mi)

a: YBCO M

»: YIJCO-M«

7=1,12 A7 = 0,63 A

^0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Arus, / (A)

Gambar 10. Grafik hubungan antara tegangan,P(volt) terhadap arus, 7(A).

Tampak pada Gambar 10, pada awalnyategangan tetap nol walaupun arus telahdialirkan dan harganya terus ditingkatkan.Ketika arus yang dialirkan pada Fasa-123mencapai harga 7 = 0,63 A, maka tercipta fluxflow yang tidak ohmic. Keadaan flux flow yangtidak ohmic ini terus berlangsung hingga7 « 1,5 A dan hukum Ohm baru dipenuhi pada7 > 1,5 A. Titik potong garis ekstrapolasi yangohmic dengan sumbu 7 adalah pada ordinat7= 1,12 A. Jadi dalam keadaan ideal,flux flowakan dimulai ketika arus telah mencapai harga1,12 A bukan 0,63 A. Fenomena ini disebutTAFF {thermally activated flux flow). Sepertitelah dijelaskan di atas, TAFF terjadi karena

MESIN. Volume 8 Nomor 2, Mei 2006, 79 - 90

ketika arus dinaikan, maka suhu cuplikanbertambah. Akibat bertambahnya suhu, vortekmendapat tambahan energi, sehingga vorteksserta merta bergerak dan oleh karenanyamuncul resistivitas, yakni resistivitas yang tidakohmic tadi.

Misalkan Fp adalah gaya jepitan vorteksper satuan volume, maka jika F < Fp, makavorteks tidak akan bergerak walaupun vorteksmendapat tambahan energi termal, sehinggaarus yang dialirkan non-disipatif {p * 0 Q.cm).Tetapi, jika F> Fp, maka vorteks akan bergerakdan tercipta fluxflow {p > 0 Q.cm). Dan jikaF = Fp, maka terbentuk keadaan kritis danberlaku hubungan : Fp = JCB. Jelaslah bahwauntukJ < Jc, tidak akan ada pergerakan vorteksatau flux flow atau disipasi energi. Flux flowbaru terjadi jika J > Jc. Fenomena ini terjadipada YBCO-MO, YBCO-Ml dan YBCO-M2,yakni Fasa-123 yang mengandung inklusiFasa-211.

Tampak pada Gambar 10, kurva disipasienergi {flux flow) keempat cuplikan mengikutihukum Ohm : V = I.R, dimana V, I dan Rberturut-turut adalah tegangan (volt), arus(Amper) dan resistansi (Ohm). R adalahkoefisien arah garis V-I linear dengan sudutkemiringan : a = 1,5°; fi = 2,1°; y = 2,7° dan<5= 3,1°berturut-turut untuk cuplikan Fasa-123,YBCO-MO, YBCO-Ml dan YBCO-M2. Daridata-data tersebut diperoleh harga R dan darihubungan p = Ims.R diperoleh p (Q.cm), datalengkap ditunjukkan pada Tabel 2.

KESIMPULAN

Kehadiran Fasa-211 di dalamsuperkonduktor YBCO berpengaruh terhadappeningkatan rapat arus kritis Jv bahansuperkonduktor tersebut; dimana Jc tertinggidiperoleh pada matriks Fasa-123 yang memilikikandungan Fasa-211 sekitar 35 % berat.Kehadiran Fasa-211 di dalam superkonduktorYBCO juga berpengaruh terhadap fenomena

Pengaruh inklusi fasa-211 terhadap sifatlistriksuperkonduktor YBa2Cu307.x {E.Suklrman, dkk)

TAFF {thermally activated flux flow), dimanadengan adanya Fasa-211, maka fenomena fluxflow yang tidak ohmic tidak terjadi pada matriksFasa-123.

Ucapan Terimakasih

Ucapan terimakasih disampaikan kepadasemua pihak yang terkait dengan kegiatanpenelitian ini, terutama Bapak Drs. Sumanto(Ka Bag TU, PBIN) beserta staf, BapakDr. Ridwan dan Bapak Drs. Gunandjar, SU.

DAFTARPUSTAKA

1. M. Murakami, Supercond. Sci. Technol. 5,(1992)185-203.

2. M. Cyrot and D. Pavuna, Introduction toSuperconductivity and High-Tc Materials,World Scientific, Singapore, New Jersey,London, Hongkong, 1992, p. 75.

3. D. Muller and H. C. Freyhardt, PhysicaC 242, (1995) 283-290.

4. R. Gopalan, T. Roy, T. Rajasekharan, G.Rangarajan, N. Hari Babu, Physica C 244,(1995)106-114.

5. Yi Song, James R. Gaines, Physica C 253,(1995) 177-181.

6. S. Kohayashi, S. Yoshizawa, N. Hirano, S.Nagaya, H. Kojima, Physica C 254, (1995)249-257.

7. C. H. Choi, Y. Zhao, C. C. Sorrell, M. LaRobina and C. Andrikidis, Phys. Stat. Sol.156,(1996)175-185.

8. M. Mironova, G. Du, I. Rusakova, K.Salama, Physica C 111, (1996)15-22.

9. H. Teshima, M. Tanaka, K. Miyamoto, K.Nohguchi, K. Hinatta, Physica C 256,(1996)142-148.

89

10. P. Diko, H. Kojo, M. Murakami, PhysicaC 276, (1997) 185-196.

11. G. Kozlowski, C. Varanasi, I. Maartense, C.E. Oberly,Physica C 276, (1997) 197-201.

12. Lian Zhou, PhysicaC 337, (2000) 121-129.

13. X. W. Zou, Z. II. Wang, II. Zhang, PhysicaC 356,(2001)39-45.

14. E. Sukirman, W. Ari Adi, Salmah, MajalahBATAN, Vol. XXXIII, No. 1/2, (2000)31-45.

15. E. Sukirman, W. Ari Adi, D. S. Winatapuradan Yustinus, Proses PelelehanYBa2Cu)07.Xt Prosiding Pertemuan IlmiahIPTEK Bahan'04, Kawasan PUSPIPTEKSerpong, 7 September 2004, h. 233-240.

90

16. D. S. Winatapura, W. Ari Adi dan E.Sukirman, Prosiding Pertemuan IlmiahIptek Bahan'04, Puslitbang Iptek Bahan,BATAN, Kawasan Puspiptek, Serpong, 7Sept. 2004, h. 287-292.

17. A.C. Rose-lnnes and E.H. Rhoderick,

Introduction to Superconductivity,Pergamon Press, Oxford-London, 1969,p. 192.

18. F. Izumi, RigakuJ. 6, (1089) 10.

19. B. D. Cullity, Element of X-raysDiffraction, Addison Wesley, 1978.

20. W. Ari Adi, E. Sukirman, D. S.Winatapura, G. Tj. Sulungbudi, MajalahBATAN, Vol. XXXIV, No.1/2, (2001)15-30.

MESIN. Volume 8 Nomor 2, Mei2006, 79- 90