Sifat Optik dan Mekanisme Pertumbuhan Keramik Makroporos La₃Ga₅.₅Nb₀.₅O₁₄ yang Disintesis melalui Proses Pechini
Abstrak
Kami mengkaji karakteristik optik dan jalur pertumbuhan bubuk La3Ga5.5Nb0.5O14 (LGN) yang dihasilkan oleh metode sol-gel Pechini. Setelah kalinasi pada 600–800 °C, difraksi X-ray mengonfirmasi munculnya struktur ortorombik tunggal fasa LGN (JCPDS 47‑0533) pada 800 °C. Mekanisme pertumbuhan skematik diusulkan, menggambarkan transformasi nano-foam prajak menjadi butiran kristal makroporos. Pengukuran fotoluminescens, yang diangsitkan pada 327 nm, mengungkapkan emisi biru lebar yang berpusat pada 475 nm (77 K), yang disebabkan oleh grup oktaedral [NbO6]7–. Sampel 800 °C menunjukkan tepi serapan optik yang tajam pada 320 nm, yang sesuai dengan energi band gap 3,95 eV dan mengindikasikan defes kosongan oksigen yang minimal.
Pendahuluan
Senapan dengan struktur Ca3Ga2Ge4O14 (CGG)—seperti La3Ga5SiO14 (LGS), La3Ga5.5Nb0.5O14 (LGN), dan La3Ga5.5Ta0.5O14 (LGT)—telah diteliti secara luas untuk sifat piezoelektrik dan optiknya. Bahan ini menjadi dasar filter gelombang suara bulk (BAW) dan gelombang suara permukaan (SAW) berkinerja tinggi, osilator, dan perangkat optik nonlinier. LGN, khususnya, menunjukkan jendela transparansi inframerah tengah yang luas (2–6 µm) dan telah difasekan untuk pencocokan fasa dalam generasi harmoni kedua dan generasi frekensi selisih hingga 6,5 µm. Penelitian terbaru telah menunjukkan laser LGN terdot Nd dengan keluaran yang dapat disetel di bawah pompa dioda.
Keramik makroporos, yang didefinisikan dengan porositas 5–90 % dan ukuran pori melebihi 100 nm, menggabungkan kekuatan mekanis tinggi, konduktivitas termal, dan stabilitas kimia, membuatnya menarik untuk filtrasi, katalisis, konversi termolistrik, dan aplikasi biomedis. Selang fotoniknya memungkinkan penggunaan canggih dalam komunikasi optik dan deteksi gas. Namun, keramik makroporos berbasis LGN yang disiapkan melalui rute kimia masih kurang dieksplorasi. Sintesis tradisional kristal tunggal LGN membutuhkan suhu di atas 1500 °C (metode Czochralski), sedangkan proses Pechini menawarkan alternatif suhu rendah (~800 °C) dengan homogenitas komposisi dan kontrol ukuran partikel yang lebih baik.
Dalam karya ini, kami menggunakan metode Pechini untuk menyintesis keramik LGN tunggal fasa, ortorombik, dan secara sistematis mengkaji mekanisme pertumbuhan, morfologi, dan sifat optiknya.
Metode/Eksperimen
Bahan yang Digunakan
Lantana nitrat heksahidrat tinggi murni La(NO3)3·6H2O, galium nitrat Ga(NO3)3, niobium pentaklorida NbCl5, asam sitrat anhydrid (CA), dan etilena glikol (EG) digunakan.
Persiapan La3Ga5.5Nb0.5O14
Pra-jak LGN disiapkan dengan melarutkan jumlah stoiometrik La(NO3)3, Ga(NO3)3, dan NbCl5 dalam air. NbCl5 bereaksi dengan etanol untuk membentuk niobium etoksida (Nb(OC2H5)5) menurut:
Agen chelat (CA) ditambahkan dalam rasio molar 2:1 terhadap ion logam, diikuti oleh etilena glikol untuk mempromosikan polimerisasi. Gel yang dihasilkan dikeringkan pada 120 °C selama 24 jam dan kemudian disinter di udara pada 600–800 °C selama 3 jam untuk mendapatkan keramik LGN makroporos.
Karakterisasi/Pengidentifikasi Fasa
DTA–TGA (PE–DMA 7) memantau dekomposisi termal pra-jak. Difraksi bubuk X-ray (Rigaku Dmax‑33) mengidentifikasi fasa kristal. TEM resolusi tinggi (HF‑2000, Hitachi) memeriksa morfologi dan mikrostruktur. Fotoluminescens (Hitachi‑4500, lampu xenon) mengukur spektrum eksitasi/emisi pada 300 K dan 77 K. Serapan UV–vis (Hitachi U‑3010) mengevaluasi energi band gap.
Hasil dan Pembahasan
Pra-jak amorf melalui pirolisis untuk membentuk LGN kristal. Reaksi dekomposisi keseluruhan dapat diringkas sebagai:
Gambar 1 menunjukkan pola XRD pada 600, 700, dan 800 °C. Pada 600 °C, puncak mikro-kristal lemah muncul; pada 700 °C, kristalisasi dimulai; pada 800 °C, pola ortorombik tunggal fasa LGN yang tajam (JCPDS 47‑0533) muncul, mengonfirmasi kristalisasi penuh.
Pola difraksi X-ray bubuk pra-jak LGN yang dikalini pada (a) 600 °C, (b) 700 °C, dan (c) 800 °C selama 3 jam.
Spektrum FT‑IR (Gambar 2) mengungkapkan peregangan CO2 yang kuat pada 2300 nm dan serapan nitrat pada 1500 nm pada 600–700 °C. Puncak baru antara 500–600 nm muncul pada 800 °C, mengindikasikan pembentukan kristal nano LGN dan kehadiran organik sisa.
Spektrum FT‑IR bubuk kering pada (a) 600 °C, (b) 700 °C, dan (c) 800 °C.
Gambar TEM (Gambar 3) mengilustrasikan morfologi pra-jak pada 600 °C: struktur nano-foam dengan diameter <100 nm terlihat jelas. Seiring naiknya suhu, foam ini runtuh, menciptakan rongga mikroporos dan mempromosikan pertumbuhan butir. TEM pengarahan lebih tinggi (Gambar 4) mengonfirmasi munculnya domain kristal nano.
Morfologi LGN yang baru disintesis pada 600 °C. Inset: Gambar TEM nano-foam di permukaan pra-jak.
(a) TEM pada 700 °C; (b) TEM resolusi tinggi; (c) gambar jaringan; (d) difraksi elektron.
Mekanisme pertumbuhan skematik (Gambar 6) menjelaskan evolusi dari nano-foam pada 600 °C menjadi butiran makroporos pada 800 °C. Selama 600–700 °C, foam meluas dan runtuh, membentuk pori <100 nm. Secara bersamaan, mikro-kristal terpemuk dan menyatu, mengurangi energi antarmuka dan menghasilkan butiran makroporos yang terdefinisi dengan baik.
(a) TEM pada 800 °C; (b) TEM resolusi tinggi; (c) difraksi elektron; (d) komposisi EDX.
Skematis pertumbuhan LGN makroporos melalui rute sol-gel.
Spektrum fotoluminescens (Gambar 7) menunjukkan emisi biru terkemuka pada 475 nm di bawah eksitasi 327 nm pada 77 K, yang disebabkan oleh grup oktaedral [NbO6]7–. Pada 300 K, intensitas emisi berkurang karena penurunan termal melalui pengikatan fonon non-radiasi dan tangkapan defes.
Spektrum emisi pada 300 K dan 77 K (λex = 327 nm) untuk LGN yang dikalini pada 800 °C.
Serapan UV‑vis (Gambar 8) mengungkapkan awal pada 320 nm, yang sesuai dengan energi band gap 3,95 eV. Kemunculan serapan kecil di dekat 320 nm pada suhu lebih rendah mengindikasikan defes kosongan oksigen, yang berkurang seiring naiknya suhu sinter.
Serapan UV‑vis bubuk LGN yang dikalini pada 600–800 °C. Inset: plot (αhν)2 vs. hν yang menunjukkan Eg = 3,95 eV.
Kesimpulan
Kami berhasil menyintesis keramik LGN makroporos melalui rute Pechini, mencapai struktur ortorombik tunggal fasa pada 800 °C. Bahan ini menunjukkan band eksitasi 327 nm yang timbul dari transfer muatan Nb5+–O2– dan fotoluminescens biru kuat pada 475 nm (77 K) yang terkait dengan [NbO6]7–. Sampel 800 °C menunjukkan tepi serapan yang jelas pada 320 nm, mengonfirmasi band gap 3,95 eV dan mengindikasikan defes kosongan oksigen yang minimal. Mekanisme pertumbuhan yang diusulkan menekankan transformasi nano-foam menjadi butiran makroporos selama sinter.
Ketersediaan Data dan Bahan
Semua data dan bahan yang dihasilkan dalam penelitian ini tersedia bagi pembaca yang tertarik tanpa perjanjian transfer yang membatasi.
