Perpustakaan Digital ITB

Simulasi komputasi hantaran jenis ion oksida BIMEVOX yang mempunyai struktur berlapis dan simetri tinggi merupakan studi yang memberi tantangan tersendiri. Oksida tersebut, khususnya fasa (gamma)y-Bi2VO5,5, berpotensi memainkan peranan penting dalam sel bahan bakar padatan, khususnya sebagai elektrolit, karena mempunyai hantaran jenis ion yang tinggi. Namun, pada suhu rendah, y-Bi2VO5,5 menjadi tidak stabil, akan berubah menjadi fasa Beta kemudian menjadi fasa alpha. Untuk menstabilkan fasa y-Bi2VO5,5 pada suhu rendah dilakukan substitusi parsial V5+ dengan menggunakan ME (ion logam sebagai dopan) pada oksida Bi2VO5,5, menghasilkan Bi2V1-xMExO5,5 yang sering disebut BIMEVOX. Pada penelitian ini telah dilakukan simulasi komputasi hantaran jenis ion oksida BIMEVOX dan senyawa induknya, y-Bi2VO5,5, dengan menggunakan metode atomistik, Bond Valence Sum (BVS), dinamika molekul, dan ab initio. Keempat jenis simulasi itu masing-masing dilakukan menggunakan code GULP, JUMPITER, DLPOLY, dan CASTEP. Oksida y-Bi2VO5,5 memiliki kekosongan ion oksida pada posisi ekuator dan apikal dalam lapisan mirip-perovskit. Kekosongan ion oksida tersebut memudahkan migrasi ion oksida ke posisi kosong tersebut. Struktur y-Bi2VO5,5 yang dijadikan sebagai input adalah struktur dengan grup ruang I4/mmm dan P1. Struktur dengan grup ruang P1 dibuat menjadi struktur sederhana dan struktur super sel, dengan menciptakan kekosongan pada bidang ekuator dalam lapisan mirip-perovskit. Simulasi dalam grup ruang I4/mmm dilakukan dengan metode atomistik. Pada struktur dengan grup ruang P1, hantaran ion oksida yang terjadi dalam lapisan mirip-perovskit disimulasi dengan metode atomistik, BVS, dan ab initio. Hasil simulasi atomistik menunjukkan bahwa adanya defek instrinsik menyebabkan terjadinya kenaikan energi kisi pembentukan γ-Bi2VO5,5 dibandingkan dengan senyawa Aurivillius lapis satu. Senyawa y-Bi2VO5,5 diprediksi stabil ketika konsentrasi kekosongan pada posisi ion oksida apikal kurang dari 10%. Energi minimum tercapai ketika kekosongan ion oksida hanya pada bidang ekuator, dan hasil ini sesuai dengan eksperimen Abraham dkk.. Konsentrasi maksimum dopan Cu2+, Ga3+, dan Ta5+ yang dapat mensubstitusi secara parsial V5+ berturut-turut adalah 12,5%, 13%, dan 65%. Di atas konsentrasi itu, BICUVOX, BIGAVOX, dan BITAVOX diprediksi sulit diperoleh. Berdasarkan perhitungan dengan menggunakan metode MottLittleton, energi defek tertinggi pada daerah II untuk masing-masing BIMEVOX tercapai ketika konsentrasi 10%, 10%, dan 20%, berturut-turut untuk Cu2+(Bi2Cu0,1V0,9O5,35), Ga3+ (Bi2Ga0,1V0,9O5,4), dan Ta5+ (Bi2Ta0,2V0,8O5,5). Nilai konsentrasi Cu2+, Ga3+, dan Ta5+ tersebut sesuai dengan hasil eksperimen di mana hantaran jenis ion tertinggi diperoleh untuk masing-masing BIMEVOX. Hasil studi dinamika molekul (MD) menunjukkan bahwa energi pengaktifan (Ea) migrasi ion oksida dalam y-Bi2VO5,5, Bi2Cu0,1V0,9O5,35, Bi2Ta0,2V0,8O5,5 berturut-turut adalah 0,19 eV; 0,21 eV; dan 0,10 eV. Energi-energi ini sesuai dengan hasil eksperimen. Untuk y-Bi2VO5,5, energi pengaktifan itu berbeda dengan hasil simulasi ab initio, Ea = 0,38 eV. Perbedaan itu disebabkan oleh koordinasi V-O dalam lapisan mirip-perovskit dari y-Bi2VO5,5, dalam simulasi dengan menggunakan ab initio, seluruh koordinasi diasumsikan tetrahedral, sementara dalam simulasi yang berbasis MD, koordinasi V-O adalah campuran (tetrahedral,koordinasi lima, dan oktahedral). Hal ini mengindikasikan bahwa y-Bi2VO5,5 cenderung membentuk koordinasi V-O campuran di lapis mirip-perovskitnya. Perhitungan BVS menunjukkan bahwa migrasi ion oksida apikal ke posisi kosong yang berada di bidang ekuator sulit karena lingkungan ion-ion berjejal, yang ditunjukkan dengan nilai BVS ion oksida yang sangat tinggi. Sebaliknya, migrasi ion oksida dalam bidang ekuator (gerakan yang paralel dengan bidang ab) mudah terjadi, dengan nilai BVS yang rendah. Nilai BVS maksimum dari ion oksida dalam arah ab adalah kurang dari valensi ion oksida (