MAKALAH FABRIKASI DAN KARAKTERISASI XRD (X-RAY DIFRACTOMETER)
Oleh: Kusnanto Mukti / M0209031
Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta 2012
I.
Pendahuluan Sinar X ditemukan pertama kali oleh Wilhelm Conrad Rontgen pada tahun 1895.
Karena asalnya tidak diketahui waktu itu maka disebut sinar-X. Sinar-X digunakan untuk tujuan pemeriksaan yang tidak merusak pada material maupun manusia. Disamping itu, sinar-X dapat juga digunakan untuk menghasilkan pola difraksi tertentu yang dapat digunakan dalam analisis kualitatif dan kuantitatif material. Pada waktu suatu material dikenai sinar-X, maka intensitas sinar yang ditransmisikan lebih rendah dari intensitas sinar datang. Hal ini disebabkan adanya penyerapan oleh material dan juga penghamburan
oleh
atom-atom
dalam
material
tersebut. Berkas
sinar-X
yang
dihamburkan tersebut ada yang saling menghilangkan karena fasanya berbeda dan ada juga yang saling menguatkan karena fasanya sama. Berkas sinar -X yang saling menguatkan itulah yang disebut sebagai berkas difraksi. Hukum Bragg merupakan perumusan matematika tentang persyaratan yang harus dipenuhi agar berkas sinar-X yang dihamburkan tersebut merupakan berkas difraksi. Sinar-X dihasilkan dari tumbukan antara elektron kecepatan tinggi dengan logam target. Dari prinsip dasar ini, maka dibuatlah berbagai jenis alat yang memanfaatkan prinsip dari Hukum Bragg ini. XRD merupakan salah satu alat yang memanfaatkan prinsip tersebut dengan menggunakan metoda karakterisasi material yang paling tua dan paling sering digunakan hingga sekarang. Teknik ini digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter struktur kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel. Bahan yang dianalisa adalah tanah halus, homogenized, dan rata-rata komposisi massal ditentukan
II. Pembahasan 2.1 Pembangkit Sinar-X Sinar X merupakan radiasi elektromagnetik yang memiliki energi tinggi sekitar 200 eV sampai 1 MeV. Sinar-X dihasilkan oleh interaksi antara berkas elektron eksternal dengan elektron pada kulit atom. Spektrum sinar-X memilki panjang gelombang 10-5 – 10 nm, berfrekuensi 1017 -1020 Hz dan memiliki energi 103 -106 eV. Panjang gelombang sinar-X memiliki orde yang sama dengan jarak antar atom sehingga dapat digunakan sebagai sumber difraksi kristal.
Sinar-X dihasilkan dari tumbukan antara elektron kecepatan tinggi dengan logam target. Dari prinsip dasar ini, maka alat untuk menghasilkan sinar-X harus terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu : a. Sumber elektron (katoda) b. Tegangan tinggi untuk mempercepat elektron c. Logam target (anoda) Ketiga komponen tersebut merupakan komponen utama suatu tabung sinar-X. Skema tabung sinar-X dapat dilihat pada gambar 2.1.
Gambar 2.1. Skema tabung sinar-X
Sinar-X mempunyai panjang gelombang dalam orde angstrom (Å), panjang gelombang tersebut sama ordenya dengan konstanta kisi kristal sehingga sinar-X sangat berguna untuk menganalisa struktur kristal
K A
Gambar 2.2. Pembangkit Sinar-X
Skema pembangkit sinar-X seperti ditunjukkan dalam gambar 2.2. elektron di emisikan dari katode dalam tabung vakum dan dipercepat oleh beda potensial tinggi yang ditimbulkan oleh anode dan katode, sehingga elektron memperoleh energi kinetik. Ketika
elektron menegenai target, maka sinar akan diemisikan dari target tersebut. Target yang terpasang pada anode berupa logam Mo, Fe, Ni, atau Cu. Emisi radiasi sinar-X mempunyai spektrum kontinu disebabkan emisi radiasi dari interaksi elektron dengan elektron luar atom-atom dalam target akibatnya gerak elektron ketika menumbuk target mengalami perlambatan. Peristiwa tersebut disebut peristiwa ‘bremstrahlung’, sedangkan spektrum diskrit disebabkan emisi setelah atom-atom dalam target tereksitasi karena elektron yang datang. Frekuensi maksimum vo dari spectrum kontinu berhubungan dengan potensial pemercepat eV = hvo , sebab energi maksimum foton tidak dapat melebihi energi kinetik dari elektron yang datang. Hiubungan antara potensial dengan panjang gelombang minimum λo adalah 𝜆𝑜 =
12.3 Å 𝑉
dengan V = tegangan dalam kilovolt. Ketika sinar-X melewati medium material, maka sebagian sinar-X tersebut diserap oleh material. Intensitas dari sinar akan berkurang sesuai dengan formula: 𝐼 = 𝐼𝑜 exp (−𝛼𝑥) dengan Io adalah intensitas awal pada permukaan medium, x jarak lintasan sinar dan α merupakan koefisien serapan. Berkurangnya intensitas dalam persamaan diatas disebabkan karena peristiwa hamburan dan serapan sinar oleh atom medium.
2.2 Hukum Bragg Ketika sinar-X monokromatik datang pda permukaan Kristal, sinar tersebut akan dipantulkan. Akan tetapi pemantulan terjadi hanya ketika sudut datang mempunyai harga tertentu. Besarny asudut datang tersebut bergantung dari panjang gelombang dan konstanta kisi Kristal. Sehingga peristiwa tersebut dapat digunakan sebagai salah satu model untuk menjelaskan pemantulan dan interferensi. Model tersebut ditunjukkan dalam gambar 2.3., ketika kristal digambarkan sebagai bidang parallel sesuai dengan bidang orientasi atomnya. Sinar datang dipantulkan sebagian pada masing-masing bidangnya, dimana bidang tersebut berfungsi seolah-olah sebagai cermin, dan pantulan sinar-sinar kemudian terkumpul pada detektor. Karena kumpulan pantulan sinar-sinar tersebut merupakan sinar-sinar yang koheren dan ada selisih lintasan dari masing-masing pantulan bidang Kristal maka akan terjadi peristiwa interferensi ketika diterima oleh detektor. Interferensi konstruktif terjadi jika selisih antar dua sunar berturutan merupakan kelipatan dari panjang gelombang (λ).
Sinar
1 pantul
E Sinar
datang
2 θ
θ
C
A
D
d
3
B
Gambar 2.3 Pantulan sinar-X pada bidang kristal Berdasarkan gambar 2.3 jarak selisih lintasan sinar pantul 1 dan 2 adalah V = AB + BD – AE dengan 𝐴𝐵 = 𝐵𝐷 =
𝑑 sin 𝜃
dan 𝐴𝐸 = 𝐴𝐷. 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 2𝑑
𝑐𝑜𝑠 2 𝜃 𝑠𝑖𝑛𝜃
dengan d merupakn jarak anatara 2 bidang pantul yang berdekatan dan θ sudut antar sinar datang dan sinar pantul. Dari kedua persamaan diatas dapat disubstitusikan sehingga diperoleh persamaan V=
2𝑑(1−𝑐𝑜𝑠 2 𝜃) 𝑠𝑖𝑛𝜃
= 2𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜃
Sehingga interfernsi konstruktif terjadi jika 𝑛𝜆 = 2𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜃 dengan n = 1,2,3, … berturut-turut menunjukkan orde pertama, kedua, ketiga, dst. Persamaan diatas pada umumnya disebut sebagai Hukum Bragg. Jika panjang gelombang sinar-X (λ) dapat ditentukan dari macam target tabung generator sinar-X dan θ dapat diukur dari percobaan (sudut θ merupakan setengah sudut antara sinar datang dan difraksi). Menurut persamaan bragg, peristiwa difraksi terjadi apabila λ<2d, sehingga untuk gelombang optik tidak dapat digunakan.
2.3. Komponen XRD Komponen XRD ada 2 macam yaitu: 1. Slit dan film 2. Monokromator
Sinar-X dihasilkan di suatu tabung sinar katode dengan pemanasan kawat pijar untuk menghasilkan elektron-elektron, kemudian electron-elektron tersebut dipercepat terhadap suatu target dengan memberikan suatu voltase, dan menembak target dengan elektron. Ketika elektron-elektron mempunyai energi yang cukup untuk mengeluarkan elektron-elektron dalam target, karakteristik spektrum sinar-X dihasilkan. Spektrum ini terdiri atas beberapa komponen-komponen, yang paling umum adalah Kα dan Kβ. Kα berisi, pada sebagian, dari Kα1 dan Kα2. Kα1 mempunyai panjang gelombang sedikit lebih pendek dan dua kali lebih besar intensitasnya dari Kα2. Panjang gelombang yang spesifik merupakan karakteristik dari bahan target (Cu, Fe, Mo, Cr). Tembaga (Cu) adalah bahan sasaran yang paling umum untuk difraksi kristal tunggal, dengan radiasi Cu, Kα = 05418Å. Sinar-X ini bersifat collimated dan mengarahkan ke sampel. Saat sampel dan detektor diputar, intensitas sinar-X pantul itu direkam. Ketika geometri dari peristiwa sinar-X tersebut memenuhi persamaan Bragg, interferens konstruktif terjadi dan suatu puncak di dalam intensitas terjadi. Detektor akan merekam dan memproses isyarat penyinaran ini dan mengkonversi isyarat itu menjadi suatu arus yang akan dikeluarkan pada printer atau layar komputer.
(a)
(b)
(c)
(d) Gambar 2.4 Seperangkat alat XRD (a) komputer (b) tabung XRD (c) cooler (d) difractometer XRD
(a) (b) Gambar 2.5 (a), (b) Difractometer sinar-X model lama III. Penutup Spektroskopi difraksi sinar-X (X-ray difraction/XRD) merupakan salah satu metoda karakterisasi material yang paling tua dan paling sering digunakan hingga sekarang. Teknik ini digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter struktur kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel. Kegunaan dan aplikasi : 1. Membedakan antara material yang bersifat kristal dengan amorf 2. Mengukur macam-macam keacakan dan penyimpangan kristal. 3. Karakterisasi material Kristal 4. Identifikasi mineral-mineral yang berbutir halus seperti tanah liat 5. Penentuan dimensi-dimensi sel satuan Dengan teknik-teknik yang khusus, XRD dapat digunakan untuk: 1. Menentukan struktur kristal dengan menggunakan Rietveld refinement 2. Analisis kuantitatif dari mineral 3. Karakteristik sampel film Keuntungan dan Kerugian dari XRD untuk sampel kristal dan serbuk a. Kristal Tunggal: Keuntungan
: Kita dapat mempelajari struktur kristal tersebut.
Kerugian
: Sangat sulit mendapatkan senyawa dalam bentuk kristalnya
b. Bubuk: Keuntungan
: Lebih mudah memperoleh senyawa dalam bentuk bubuk
Kerugian
: Sulit untuk menentukan strukturnya
DAFTAR PUSTAKA
Handono, A., Harjana. 2004. Fisika Zat Padat I. Jurusan Fisika UNS: Surakarta. Irvina, F., Astuti, D.W., Fatimah, Luthfiana, N.H., Maharani, R., Maestuti, N., dan Widhyastuti, Y . 2009. X-Ray Difractometer (XRD). Jurusan Teknik Kimia UNS: Surakarta. I.chorkendroff, J.W. Niemantsverdiet. Concepts of Modern Catalysis and Kinetics. Wliey-VCH GmbH&Co. New York. 2003. Hal 143 -147. Masriyanti. 2012. Prinsip-prinsip Spektroskopi. http://ardiannisworld.blogspot.com/2008/01/difraksi-neutron_31.htm http://www.chem-is-try.org/ http://labinfo.files.wordpress.com http://serc.carleton.edu/
