PEMBENTUKAN DAN KARAKTERISASI SIFAT FISIK DAN OPTIK SISTEM KACA ZnO – MgO – P2O5 DENGAN TEKNIK MELT QUENCHING

Kaca Fosfat

Fosfor dikenal sebagai unsur pembentuk jaringan kaca. Namun, hanya Fosfor Pentaoksida (P2O5) yang dikenal dapat membentuk kaca. Fosfor Pentaoksida atau biasa disebut dengan kaca fosfat memiliki titik leleh yang lebih rendah dibandingkan jenis kaca lainnya. Berikut ini perbandingannya.

Aplikasi dari kaca fosfat sendiri yaitu dapat digunakan sebagai substrat pandu gelombang pada laser femtosekon (f-sec laser), serat optik, baterai zat padat, transmisi data, dan saklar optik. Kaca fosfat memiliki beberapa kelebihan dan kekurangan sebagai berikut.

Kekurangan Kaca Fosfat

Untuk mengatasi kekurangan dari kaca fosfat ini, maka dalam pembuatannya perlu dipadukan dengan material lain. Dalam penelitian ini, bahan penyusun pembuat kaca dibuat dari sistem Seng Oksida - Magnesium Oksida - Fosfor Pentaoksida (ZnO - MgO - P2O5).

Teknik melt quenching merupakan teknik peleburan bahan kristal menjadi lelehan yang diikuti oleh terbentuknya kaca dari lelehan. Teknik melt quenching dipilih karena murah dan mudah untuk dilakukan. 

Alat dan Bahan

Alat yang digunakan dalam penelitian ini, yaitu.

a. Botol (bottle),                                   k. Mesin milling,

b. Spatula,                                           l. Mesin XRD,

c. Kertas timbang,                                m. Spektrometer UV-Vis,

d. Krusibel alumina,                              n. Amplas (sandpaper),

e. Timbangan digital,                             o. Mesin dan liquid polishing,

f. 2 buah furnace,                                 p. Diamond pencil dan compound,

g. Steel mould,                                     q. Jangka sorong digital,

h. Penjepit,                                          r. Mortar dan alu,

i. Petridish,                                          s. Kaca mata pelindung,

j. Tube (menyimpan serbuk kaca),          t. Gelas kimia.

Sedangkan bahan yang digunakan dalam penelitian ini, yaitu :

a. Magnesium Oksida MgO,                  d. Gel Silika,   

b. Seng Oksida ZnO,                            e. Toluena,

c. Fosfor Pentaoksida P₂O₅,                     f. Aseton.

Cara Kerja

Hasil dan Pembahasan

Analisa

Dari hasil analisis difraksi sinar-X diperoleh bahwa struktur sampel kaca yang dibuat adalah amorf (tidak adanya puncak yang tajam). Pada penelitian ini, hasil difraksi sinar-X hanya dilakukan pada Sampel 1 saja.

Pengujian Sifat Fisik

Dari hasil pengujian sifat fisik diperoleh bahwa densitas kaca semakin menurun dengan bertambahnya mol% ZnO. Hal ini dikarenakan substitusi dari berat molekular ZnO (Mr = 81,389 g/mol) lebih kecil daripada berat molekular P₂O₅ (Mr = 141,943 g/mol). Selain itu, konektivitas yang lemah dalam struktur kaca menyebabkan nilai densitas menurun. Lemahnya konektivitas dalam struktur kaca menunjukkan nilai kekakuan (rigidity) kaca menurun. Sedangkan volume molar berbanding terbalik dengan densitas. Volume molar kaca semakin meningkat dengan bertambahnya mol% ZnO. Hal ini dikarenakan semakin meningkatnya volume bebas (free volume) dengan menurunnya densitas kaca. Selain itu, naiknya volume molar menunjukkan kaca memiliki struktur terbuka. Struktur terbuka yang dimaksud adalah pecahnya ikatan BO (Bridging Oxygen) dan terbentuknya formasi ikatan NBO (Non-Bridging Oxygen).

Pengujian Sifat Optik

Grafik absorbansi optikal sebagai fungsi panjang gelombang pada daerah ultraviolet dan cahaya tampak dapat dilihat pada Gambar 10. Dari grafik menunjukkan bahwa tidak adanya puncak absorpsi yang tajam. Ini merupakan karakteristik dari kaca yang bersifat amorf. Spektra absorpsi optikal merupakan metode yang digunakan untuk mempelajari transisi optikal dan memberikan informasi mengenai ikatan, struktur, dan energi gap baik material amorf maupun kristal. Pada absorpsi dalam wilayah ultraviolet, cahaya tampak, dan inframerah terjadi penyerapan atom. Prinsipnya adalah penyerapan foton terjadi ketika elektron pada pita valensi tereksitasi dan menuju ke pita konduksi sehingga pada pita konduksi terdapat elektron bebas dan lubang (hole) pada pita valensi. Eksitasi yang disertai absorpsi akan terjadi jika energi foton lebih besar dari energi gap. Spektra absorpsi secara umum menentukan kekuatan ikatan oksigen dalam struktur kaca

Dari spektra absorpsi optikal dapat ditentukan nilai energi gap, energi Urbach, dan indeks refraktif kaca. Dapat dilihat bahwa nilai energi gap meningkat dengan bertambahnya mol% ZnO hanya sampai 5 mol% ZnO. Kemudian, nilai energi gap terus menurun seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11. Kenaikan nilai energi gap disebabkan terjadinya pembentukan formasi BO pada matriks kaca. Kemudian, penurunan energi gap disebabkan terjadinya pembentukan formasi NBO. Ini berarti, bertambahnya mol% ZnO ke dalam matriks kaca menyebabkan ikatan BO berubah menjadi NBO dan diketahui bahwa NBO memiliki energi yang lebih besar dibandingkan dengan BO. NBO juga memiliki muatan yang lebih negatif dibandingkan BO. Oleh karena itu, elektron dapat dengan mudah bertransfer dari pita valensi ke pita konduksi.

Nilai energi Urbach menggambarkan derajat keteraturan atau ketidakteraturan (orderness or disorderness) struktural dalam material amorf. Dapat dilihat bahwa nilai energi Urbach menurun dengan bertambahnya mol% ZnO hanya sampai 5 mol% ZnO. Kemudian, nilai energi Urbach terus meningkat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12. Penurunan energi Urbach kemungkinan disebabkan karena meningkatnya keteraturan jaringan kaca sebagai akibat dari polimerisasi sehingga struktur kaca menjadi lebih stabil dan homogen. Kemudian, kenaikan energi Urbach disebabkan karena meningkatnya ketidakteraturan struktural dalam kaca dengan bertambahnya mol% ZnO. Ketidakteraturan disebabkan karena meningkatnya formasi ikatan NBO akibat menurunnya nilai energi gap. Ikatan NBO memiliki ikatan yang lemah karena memiliki jarak interatomik yang besar dalam struktur kaca dan sebuah elektron yang tidak terikat kuat dengan oksigen. Nilai energi Urbach yang tinggi juga mengindikasikan bahwa sampel kaca memiliki kepadatan (compactness) yang rendah, terlihat dari nilai densitas kaca yang semakin menurun dengan bertambahnya mol% ZnO.

Nilai indeks refraktif merupakan hal mendasar untuk mempelajari sifat optik material karena berkaitan dengan performa dan ketahanan perangkat elektronik. Nilai indeks refraktif menurun dengan bertambahnya mol% ZnO hanya sampai 5 mol% ZnO. Kemudian, nilai indeks refraktif terus meningkat dapat dilihat pada Gambar 13. Penurunan nilai indeks refraktif disebabkan karena atom Zn sedang memulai membentuk bagian dalam jaringan struktur kaca. Kemudian, kenaikan nilai indeks refraktif disebabkan karena menurunnya nilai energi gap. Selain itu, disebabkan karena kehadiran awan elektron menyebabkan menurunnya kecepatan cahaya dalam medium kaca. Kehadiran awan elektron menunjukkan formasi ikatan NBO (muatan negatif) yang tinggi dan mengindikasikan ikatan BO yang rendah pada matriks penyusun kaca. Pada ikatan NBO, terdapat satu elektron yang tidak terikat pada ikatan oksigennya. Hal inilah yang menimbulkan terbentuknya awan elektron. Ilustrasi struktur BO dan NBO pada kaca fosfat ditunjukkan pada Gambar 14. Sebagai tambahan,  ikatan NBO lebih terpolarisasi dibandingkan ikatan BO karena ikatan NBO memiliki ikatan ionik yang lebih besar dan energi ikat yang lebih rendah dibandingkan ikatan BO.

Kesimpulan dan Saran

Berdasarkan pembahasan di atas, maka dapat disimpulkan.

1. Pembentukan dan karakterisasi sistem kaca x ZnO – 30 MgO – (70 – x) P₂O₅ dengan x = 0, 5, 10, dan 15 mol% telah berhasil dilakukan dengan menggunakan teknik melt quenching.
2. Analisis pola difraksi sinar-X menunjukkan bahwa kaca yang dibuat memiliki struktur amorf.
3. Konsentrasi mol% ZnO memiliki pengaruh yang sangat besar terhadap sifat fisik dan optik (absorpsi) kaca. Nilai densitas dan energi gap semakin menurun sedangkan volume molar, energi Urbach, dan indeks refraktif semakin meningkat dengan bertambahnya mol% ZnO.
4. Dari seluruh sampel yang dibuat, sampel 4 merupakan sampel yang terbaik dari sifat fisik dan optiknya. Hal ini dikarenakan sampel 4 memiliki nilai indeks refraktif tertinggi yang akan berpengaruh terhadap performa atau kinerja dan ketahanan perangkat optik.

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, penulis menyarankan bagi rekan-rekan untuk penelitian selanjutnya sebagai berikut.

1. Untuk penelitian selanjutnya, diharapkan pembuatan kaca dilakukan dengan menggunakan krusibel yang terbuat dari material platinum untuk menghindari kontaminasi kaca dengan krusibel atau material furnace.
2. Analisis difraksi sinar-X dilakukan pada keseluruhan sampel untuk menganalisa lebih mendalam spektrum yang dihasilkan.
3. Analisis EDX (Energy Dispersive of X-Ray) dilakukan untuk menganalisa komposisi sampel-sampel yang dibuat.
4. Pengujian sifat fisik disarankan menggunakan beberapa sampel, baik dalam penimbangan di udara maupun pada cairan toluena agar diperoleh hasil yang akurat.

Daftar Pustaka

[1] Stillinger, Frank H. Advances in Chemical Engineering. Edited volume. Princeton, Princeton University (2001), p. 21-22.

[2] Sahar, Md. Rahim. Fizik Bahan Amorfus. 1^st ed. Skudai Johor, Universiti Teknologi Malaysia (2000), p. 1-5.

[3] Nehal Aboulfotoh, Yahia Elbashar, Mohammed Ibrahim, and Mohammed Elokr, Charcterization of Copper Doped Phosphate Glass for Optical Applications, Ceramics International. 40 (2014), p. 10395-10399.

[4] I. E. C. Machado, L. Prado, L. Gomes, J. M. Prison, and J. R. Martinelli, Optical Properties of Manganese in Barium Phosphate Glasses, Journal of Non – Crystalline Solids. 348 (2004), p. 113-117.

[5] Amin Abd El-Moneim, Phosphate – based Glasses : Prediction of Acoustical Properties, Physica B : Physics of Condensed Matter. S0921 – 4526 (16) 30027-8.

[6] M. A. Marzouk, F. H. Elbatal, and A. M. Abdelghany, Ultraviolet and Infrared Absorption Spectra of Cr₂O₃ Doped – Sodium Metaphosphate, and Zinc Metaphosphate and Effect of Gamma Irradiation : A Comparative Study, Spectrochimica Acta Part A : Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 114 (2013), p. 658-667.

[7] Naoyuki Kitamura, Kohei Fukumi, Junichi Nakamura, Tatsuo Hidaka, Hidekazu Hashima, Yoshitaka Mayumi, and Tatsuo Hidaka, Optical Properties of Zinc Bismuth Phosphate Glass, Material Science and Engineering B. 161 (2009), p. 91-95.

[8] A. Santic, Z. Skoko, A. Gajovic, D. E. Day, and A. Mogus - Milankovic, Physical Properties of Lead Iron Phosphate Glasses Containing Cr₂O₃, Journal of Non – Crystalline Solids. 357 (2011), p. 3578-3584.

[9] Leong Pau Ming, Eeu Tien Yew, Leow Ting Qiao, Pang Xie Guan, Zuhairi Ibrahim, and Rosli Hussin, Structural and Luminescence Properties of Fe³⁺ Doped Antimony Lead Borophosphate Glass, Sains Malaysiana. 43 (6) (2014), p. 915-922.

[10] S. Sreehari Sastry and B. Rupa Venkateswara Rao, Spectroscopic Studies of Copper Doped Alkaline Earth Lead Zinc Phosphate Glass, Physica B. 434 (2014), p. 159-164.

[11] Refka Oueslati Omrani, Saida Krimi, Jean Jacques Videau, Ismail Khattech, Abdelaziz El Jazouli, and Mohamed Jemal, Structural and Thermochemical Study of Na₂O – ZnO – P₂O₅ Glasses, Journal of Non – Crystalline Solids. 390 (2014), p. 5-12.

[12] Raja J. Amjad, M. R. Sahar, S. K. Ghoshal, M. R. Dousti, S. Riaz, and B. A. Tahir, Enhanced Infrared to Visible Upconversion Emmision in Er³⁺ Doped Phosphate Glass : Role of Silver Nanoparticles, Journal of Luminescence. 132 (2012), p. 2714-2718.

[13] M. A. Ouis, H. A. Elbatal, A. M. Abdelghany, and Ahmed A. Hammad, Structural and Optical Properties of CuO in Zinc Phosphate Glasses and Effects of Gamma Iradiation, Journal of Structure. 1103 (2016), p. 224-231.

[14] M. Elisa, Christina E. A. Grigorescu, Cristina Vasiliu, B. Bulinski, V. Kuncser, Daniela Predoi, G. Filoti, Aurelia Meghea, Nicoleta Iftimie, and Maria Giurginca, Optical and Electronic Properties of The Alumino-phosphate Glasses Doped With 3D – Transition Metal Ions, Rev. Adv. Matter. Sci. (2005), p. 367-374.

[15] A. Amarnath Reddy, S. Surendra Babu, K. Pradeesh. C. J. Otton, and G. Vijaya Prakash, Optical Properties of Highly Er3⁺ - Doped Sodium – Alumunium – Phosphate Glasses for Broadband 1,5 m Emission, Journal of Alloy and Compounds. 509 (2011), p. 4047-4052.

[16] H. Elhaes, M. Attallah, Y. Elbashar, M. El-Okr, and M. Ibrahim, Application of Cu₂O Doped Phosphate Glasses for Bandpass Filter , Physica B. 449 (2014), p. 251-254.

[17] Gardens, Owen G. Trends in Optical Materials Research. Edited Volume. University of Southampton (2007), p. 140-149.

[18] Zarzycki, Jerzy. Materials Science and Technology Glasses and Amorphous Materials. Edited volume. France, University of Montpellier (1991), p.94-189.

[19] Zallen, Richard. The Physics of Amorphous Solids. 1^st ed. Blacksburg, Virginia (1998), p. 2-3.

[20] Mastai, Yitzhak. Advances in Crystallization Processes. Edited volume. Turkey, Istanbul Technical University (2012), p. 127-128.

[21] Varshneya, Arun K. Fundamentals of Inorganic Glasses. 1^st ed. Newyork, Alfred University (1994), p. 116-119.

[22] Sulhadi dan A. Rinto, Preparasi dan Karakterisasi Sifat Optik Kaca Posfat, Jurnal Pendidikan Fisika Indonesia. 7 (20110, p. 145-147.

[23] Roop, R. C. Studies in Inorganic Chemistry. 1^st ed. Amsterdam, The Nedherlands (1991), p. 18.

[24] Yamane, Masayuki and Yoshiyuki Asahara. Glasses For Photonics. 1^st ed. United Kingdom, University of Cambridge ( 2000 ), p. 15-18.

[25] Budi Astuti, Md. Rahim Sahar, dan Md. Supar Rohani, Pembentukan dan Uji Massa Jenis Kaca Berasaskan P₂O₅ – Sm₂O₃ – MnO₂, Seminar Nasional MIPA. (2007), p. 99-105.

[26] P. Meejitpaisan, J. Kaekkhao, P. Limsuwan, and C. Kedkaew, Physical and Optical Properties of The SLS Glass Doped With Low Cr₂O₃ Concentrations, Procedia Engineering. (2012), p. 787-792.

[27] M. Reza Dousti, S. K. Ghoshal, Raja J. Amjad, M. R. Sahar, Fakhra Nawaz, and R. Arifin, Structural and Optical Study of Samarium Doped Lead Zinc Phosphate Glasses, Optics Communications. 300 (2013), p. 204-209.

[28] S. F. Ismail, M. R. Sahar, and S. K. Ghoshal, Physical and Absorption Properties of Titanium Nanoparticles Incorporated Into Zinc Magnesium Phosphate Glass, Material Characterization. 111 (2016), p. 177-182.

[29] Puzi Anigrahawati, M. R. Sahar, and S. K. Ghoshal, Influence of Fe₃O₄ Nanoparticles on Structural, Optical, and Magnetic Properties of Erbium Doped Zinc Phosphate Glass, Material Chemistry and Physics. 155 (2015), p. 155-161.

[30] M. Hafid, T. Jermoumi, N. Toreis, and T. Ghailassi, Structure of ( 45 – x ) Na₂O – x BaO – 5 ZnO – 50 P₂O₅ Glasses Studied by DSC and Infrared Spectroscopy , Materials Letter. 56 (2002), p. 486-490.

[31] N. M. Yusof and M. R. Sahar, Effect of Silver Nanoparticles Incorporated With Samarium – Doped Magnesium Tellurite Glass, Physica B. 456 (2015), p. 191-196.

[32] Ahmed H. Hammad and A. M. Abdelghany, Optical and Structural Investigations of Zinc Phosphate Glasses Containing Vanadium Ions, Journal of Non – Crystalline Solids. 433 (2016), p. 14-19.

[33] Asha Rajiv, M. Sudhakara Reddy, Jayagopal Uchil, and Narayana Reddy, Photo-luminescence Studies of NaPO₃ – ZnO – MnO₂ Glass System, International Journal of Luminescence and Applications. 049 (2015), p. 41-44.

[34] Manpreet Kaur, Anupinder Singh, Vanita Thakur, and Lakhwant Singh, Effect of TiO₂ Substitution on Optical and Structural Aspects of Phosphate Glasses, Journal of Molecular Structure. 1089 (2015), p. 95-101.

[35] S. F. Khor, Z. A. Thalib, and W. M. Mat Yunus, Optical Properties of Ternary Zinc Magnesium Phosphate Glasses, Ceramics International. 38 (2012), p. 935-940.

[36] S. F. Khor, Z. A. Thalib, F. Malek, and E. M. Cheng, Optical Properties of Ultraphosphate Glasses Containing Mixed Divalent Zinc and Magnesium Ions, Optical Materials. 35 (2013), p. 629-633.

Lampiran