ARTIKEL ILMIAH
PENGENALAN DASAR X-RAY DIFRACTION
Oleh :
Nama NIM
: Arwin Darwis : 60400114016
JURUSAN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS ISLAM NEGERI (UIN) ALAUDDIN MAKASSAR 2017
KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan artikel ilmiah ini. Artikel ilmiah ini adalah salah satu sarana untuk mengembangkan kreativitas mahasiswa juga pengetahuan yang dimiliki. Artikel ilmiah ini merupakan suatu sumbangan pikiran dari penulis yang dikumpulkan dari berbagai referensi untuk dapat digunakan oleh pembaca. Tak lupa kami mengucapkan terimah kasih kepada dosen pembimbing maupun dosen pengampu matakuliah yang
telah
memeberikan semangat dalam pembuatan artikel ilmiah ini. Kami menyadari sepenuhnya bahwa artikel ilmiah ini jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu kami
dengan senang hati bersedia menerima kritik dan saran yang sifatnya
membangun demi kesempurnaannya. Artikel ilmiah ini disusun berdasarkan data-data dan sumber-sumber yang telah diperoleh penulis. Penulis menyusun artikel ilmiah ini dengan bahasa yang mudah ditangkap oleh pembaca sehingga artikel ilmiah ini dapat dengan mudah dimengerti oleh pembaca. Pada akhirnya, penulis berharap artikel ilmiah ini dapat bermanfaat bagi pembaca dalam memahami persoalan “Pengenalan Dasar X-Ray Diffraction (XRD)”
Makassar, 30 Juni 2017
Penyusun
1. Sejarah X-Ray Diffraction (XRD) Di akhir tahun 1895, Roentgen (Wilhelm Conrad Roentgen, Jerman, 1845-1923), seorang profesor fisika dan rektor Universitas Wuerzburg di Jerman dengan sungguh-sungguh melakukan penelitian tabung sinar katoda. Ia membungkus tabung dengan suatu kertas hitam agar tidak terjadi kebocoran fotoluminesensi dari dalam tabung ke luar. Lalu ia membuat ruang penelitian menjadi gelap. Pada saat membangkitkan sinar katoda, ia mengamati sesuatu yang di luar dugaan. Pelat fotoluminesensi yang ada di atas meja mulai berpendar di dalam kegelapan. Walaupun dijauhkan dari tabung, pelat tersebut tetap berpendar. Dijauhkan sampai lebih 1 m dari tabung, pelat masih tetap berpendar. Roentgen berpikir pasti ada jenis radiasi baru yang belum diketahui terjadi di dalam tabung sinar katoda dan membuat pelat fotoluminesensi berpendar. Radiasi ini disebut sinarX yang maksudnya adalah radiasi yang belum diketahui. Ia menerima Hadiah Nobel Fisika tahun 1914 untuk penemuan difraksi sinar-X pada kristal. Penemuan ini ketika ia membahas permasalahan yang terkait dengan perjalanan gelombang cahaya melalui periodik, susunan kristalin partikel. Ide kemudian datang bahwa sinar elektromagnetik yang jauh lebih endek dari sinar-X seharusnya akan menyebabkan semacam fenomena difraksi atau interferensi dan bahwa kristal akan memberikan semacam media. Meski Sommerfeld, W. Wien keberatan terhadap ide Friedrich, asisten Sommerfeld dan Knipping bereksperimen dan setelah beberapa kegagalan, akhirnya berhasil membuktikan itu benar. Pada 1946 ia ke Gottingen menjabat Direktur Institut Max Planck dan Titular Profesor di Universitas. Pada 1951 menjadi Direktur Institut Fritz Haber untuk Kimia Fisika di Berlin-Dahlem bidang Optik sinar-X bekerja sama dengan Borrmann. Tahun 1958 ia pensiun dan pada ulang tahun ke-80 di Berlin-Dahlem dia masih aktif bekerja. Awal kariernya ia sangat gembira oleh teori relativitas Einstein dan antara 1907-1911 ia menerbitkan 8 makalah tentang penerapan teori ini. Pada 1911 ia menerbitkan buku tentang teori terbatas dan 1921 pada teori umum, kedua buku menjadi beberapa edisi.
Max Theodor Felix von Laue yang lahir 9 Oktober 1879 di Pfaffendorf, dekat Koblenz adalah fisikawan Kekaisaran Jerman yang pertama kali mendapatkan difraksi sinar X dari sebuah kristal pada 1912. Atas prestasi ini, ia dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika 1914. Ia adalah putra Julius von Laue, seorang pejabat di pemerintahan militer Jerman, yang dibesarkan keturunan bangsawan tahun 1913 dan sering dikirim ke berbagai kota, sehingga von Laue menghabiskan masa mudanya di Brandenburg, Altona, Posen, Berlin dan Strassburg. Di sekolah Protestan di Strassburg ia di bawah pengaruh Profesor Goering yang memperkenalkannya pada lmu eksakta. Pada tahun 1898 ia meninggalkan sekolah dan selama satu tahun melakukan dinas militer.
2. Pengertian X-Ray Diffraction (XRD) XRD merupakan alat yang digunakan untuk mengkarakterisasi struktur kristal, ukuran kristal dari suatu bahan padat. Semua bahan yang mengandung kristal tertentu ketika dianalisa menggunakan XRD akan memunculkan puncak-puncak yang spesifik. Sehingga kelemahan alat ini tidak dapat untuk mengkarakterisasi bahan yang bersifat amorf (dikutip dari material cerdas Indonesia). Analisis XRD merupakan metode yang dapat memberikan informasi mengenai jenis mineral yang terdapat dalam suatu conto. Data hasil penyinaran Sinar X berupa spektrum difraksi Sinar X dideteksi oleh detektor dan kemudian data difraksi tersebut direkam dan dicatat oleh komputer dalam bentuk grafik peak intensitas, yang lebih lanjut dianalisis jarak antara bidang kisi kristalnya dan dibandingkan dengan hukum Bragg pada komputer dengan menggunakan software tertentu sehingga dapat menghasilkan suatu data. (Naufal dkk, Tanpa Tahun). Menurut Mukti (2012), XRD merupakan salah satu alat yang memanfaatkan prinsip dari persamaan Hukum Bragg 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.
3. Kegunaan X-Ray Diffraction (XRD) Menurut Smallman (1991); karakterisasi XRD bertujuan untuk menentukan system kristal. Metode difraksi sinar-X dapat menerangkan parameter kisi, jenis struktur, susunan atom yang berbeda pada kristal, adanya ketidaksempurnaan dalam kristal, orientasi, butir-butir dan ukuran butir suatu material. Menurut Smallman & Bishop (1999); XRD dapat digunakan untuk menentukan jenis struktur kristal menggunakan sinar-X. metode ini digunakan untuk menentukan jenis struktur, ukuran butir, konstanta kisi dan FWHM. Sinar-X merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang diantara 400-800 nm. Riana (2012) menyatakan, untuk keperluan difraksi, sinar-X yang dipergunakan hanyalah yang memiliki panjang gelombang tertentu saja, biasanya dipilih yang paling intens yaitu sinar-X Ka. Sinar ini dapat dipilah dari sinar-X Bremsstrahlung serta sinar-X Kb menggunakan monokromator. Material monokromator yang sering digunakan adalah kristal tunggal Ge atau C.
4. Bagian-bagian X-Ray Diffraction (XRD) Tiga komponen dasar dari X-RD yaitu; sumber sinar-X ( X-Ray source), material contoh yang diuji (specimen), detektor sinar-X ( X-ray detector). (Sartono,2006 dalam Jamaluddin, 2010). a. X-Ray Source Sinar-X dapat pula terbentuk melalui proses perpindahan elektron suatu atom dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah. Adanya tingkat-tingkat energi dalam atom dapat digunakan untuk menerangkan terjadinya spektrum sinar-X dari suatu atom (Gambar 4). Sinar-X yang terbentuk melalui proses ini mempunyai energi yang sama
dengan selisih energi antara kedua tingkat energi elektron tersebut. Karena setiap jenis atom memiliki tingkat-tingkat energi elektron yang berbedabeda maka sinar-X yang terbentuk dari proses ini disebut karakteristik Sinar-X.
Gambar 1: Ilustrasi transisi elektron dalam sebuah atom (Beck, 1977) Karakteristik Sinar-X terjadi karena elektron yang berada pada kulit K terionisasi sehingga terpental keluar. Kekosongan kulit K ini segera diisi oleh elektron dari kulit diluarnya. Jika kekosongan pada kulit K diisi oleh electron dari kulit L, maka akan dipancarkan karakteristik sinar-X K α. Jika kekosongan itu diisi oleh elektron dari kulit M, maka akan dipancarkan karakteristik Sinar-X K β dan seterusnya (Beck, 1977 dalam Jamaluddin 2010). b. Specimen Sartono (2006) sebagaimana yang dituliskan Jamaluddin (2010), mengemukakan bahwa material uji (spesimen) dapat digunakan bubuk (powder) biasanya 1 mg. c. X-Ray Detector Sebelum sinar-X sampai ke detektor melalui proses optik. Sinar-X yang panjang gelombangnya λ dengan intensitas I mengalami refleksi dan menghasilkan sudut difraksi 2θ (Sartono, 2006). Jalannya sinar-X diperlihatkan oleh gambar 5 berturut-turut sebagai berikut : (1) Sumber sinar-X (2) Celah soller (3) Celah penyebar (4) Spesimen (5) Celah anti menyebar (6) Celah penerima (7) Celah soller dan (8) Detektor.
Gambar 2: Difraktometer Sumber : Jamaluddin, makalah fisika material, halaman 13
5. Prinsip Kerja X-Ray Diffraction (XRD)
Gambar 3: Alur berpikir untuk proses karakterisasi suatu material. Sumber : Anonim, Pengantar Teknik Karakterisasi .pdf Dalam makalah fisika material yang disusun oleh Jamaluddin (2010), mengatakan, salah satu teknik yang digunakan untuk menentukan struktur suatu padatan kristalin adalah metode difraksi sinar-X serbuk ( X- ray powder diffraction) seperti terlihat pada gambar dibawah. Sampel berupa serbuk padatan kristalin yang memiliki ukuran kecil dengan diameter butiran kristalnya sekitar 10-7–10-4 m ditempatkan pada suatu plat kaca. Sinar-X diperoleh dari elektron yang keluar dari filamen panas dalam keadaan vakum pada tegangan tinggi, dengan kecepatan tinggi menumbuk permukaan logam, biasanya tembaga (Cu).
Gambar 4: ilustrasi prinsip kerja sinar-X Sumber : Jamaluddin, makalah fisika material, hal 14 Sinar-X tersebut menembak sampel padatan kristalin, kemudian mendifraksikan sinar ke segala arah dengan memenuhi Hukum Bragg. Detektor bergerak dengan kecepatan sudut yang konstan untuk mendeteksi berkas sinarX yang didifraksikan oleh sampel. Sampel serbuk atau padatan kristalin memiliki bidang-bidang kisi yang tersusun secara acak dengan berbagai kemungkinan orientasi, begitu pula partikel-partikel kristal yang terdapat di dalamnya. Setiap kumpulan bidang kisi tersebut memiliki beberapa sudut orientasi sudut tertentu, sehingga difraksi sinar-X memenuhi Hukum Bragg. Menurut Ariswan (2013), prinsip dasar penentuan struktur adalah dengan teknik difraksi sinar x karakteristik, dimana berlaku hukum Bragg :
dengan d adalah jarak antar bidang atom-atom dalam kristal ( bidang dengan indeks Miller tertentu), q adalah sudut difraksi dan l adalah panjang gelombang sinar X yang dipergunakan. Bila diambil bidang-bidang dengan indeks Miller berbeda maka dengan menggunakan metode analitik, dapat ditentukan sitem dan parameter kisi kristal. Bentuk keluaran dari difraktometer dapat berupa data analog atau digital. Rekaman data analog berupa grafik garis-garis yang terekam per menit sinkron, dengan detektor dalam sudut 2θ per menit, sehingga sumbu-x setara dengan sudut 2θ. Sedangkan rekaman digital menginformasikan intensitas sinar-X terhadap jumlah intensitas cahaya per detik. Pola difraktogram yang dihasilkan berupa deretan puncak-puncak difraksi dengan intensitas relatif bervariasi sepanjang nilai 2θ tertentu.
Besarnya intensitas relatif dari deretan puncak-puncak tersebut bergantung pada jumlah atom atau ion yang ada, dan distribusinya di dalam sel satuan material tersebut. Pola difraksi setiap padatan kristalin sangat khas, yang bergantung pada kisi kristal, unit parameter dan panjang gelombang sinar-X yang digunakan. Dengan demikian, sangat kecil kemungkinan dihasilkan pola difraksi yang sama untuk suatu padatan kristalin yang berbeda (Warren, 1969 dalam Jamaluddin, 2010). Dalam sumber lainnya, Aptika (2009) menuliskan Tabung sinar X terdiri dari tabung gelas yang telah divakumkan. Elektron berasal dari filamen yang dipanaskan, biasanya dibuat dari kawat wolfram dengan tegangan sekitar 4 sampai 12 volt dan arus sekitar 1,5 sampai 5 A. Elektron-elektron pada permukaan filamen dipercepat oleh karena adanya perbedaan tegangan yang tinggi antara filamen dan logam target, dengan demikian elektron dapat “ditarik” oleh logam target. Karena itu sebelum menaikkan tegangan maka arus tabung harus dinaikkan terlebih dahulu untuk menghindarkan terjadinya cold emission yang dapat merusak filamen. Filamen diselubungi dengan kotak logam yang bertegangan sama dengan tegangan filamen, sehingga elektron akan difokuskan ke bagian kecil dari logam target, disebut titik fokus (focal spot). Dari titik fokus ini, sinar X akan diemisikan melalui jendela pada rumah tabung. Jendela ini bersifat transparan dan biasanya dibuat dari lembaran tipis berylium. Berylium dipilih karena mempunyai konduktivitas panas dan listrik yang cukup baik, sehingga dapat ditempatkan dekat logam target tanpa ada resiko pemanasan berlebihan dan charging akibat tumbukan dengan sinar X. Energi kinetik elektron yang menumbuk logam target adalah :
Dimana m adalah massa elektron (9,11 x 10-31 kg) v adalah kecepatan electron sebelum tumbukan, e adalah muatan elektron (1,60 x 10-19 coulomb) dan V adalah beda tegangan antara katoda dan anoda.
Efisiensi tumbukan untuk menghasilkan sinar X sangat rendah, yaitu hanya sekitar 1 % dari energi yang digunakan untuk menghasilkan sinar X, sisanya diubah menjadi panas. Karena alasan tersebut maka setiap tabung sinar X harus dilengkapi dengan system pendingin yang baik. Walaupun elektron mengalir ke satu arah (dari filamen ke logam target), tidak berarti bahwa tabung sinar X harus dioperasikan dengan tegangan searah (dc voltage). Dengan menggunakan transformator, tabung sinar X dapat dioperasikan dengan tegangan bolak-balik (ac voltage) karena adanya proses rektifikasi (rectifying process). Dengan sistem rektifikasi sendiri tersebut, arus pada filamen hanya mengalir ketika tegangannya negatif, sedangkan pada saat tegangannya positif hanya pemanasan filamen yang terjadi dan tidak dihasilkan sinar X. Tegangan tinggi pada tabung dikontrol oleh autotransformer. Voltmeter (V) pada autotransformer mengukur tegangan yang bekerja pada tabung. Arus tabung diukur oleh amperemeter (MA), yang menyatakan aliran elektron dari filamen ke logam target. Besarnya arus tabung berkisar antara 10 sampai 25 mA dan dikontrol oleh rheostat pada filamen. Rheostat tersebut mengontrol output tegangan transformator filamen, tegangan ini menentukan arus filamen, dengan demikian juga menentukan temperatur filamen dan jumlah elektron yang dikeluarkan setiap detiknya.Tabung sinar X dapat menjadi tidak berfungsi karena keausan filamen atau pemakaian melampaui daya yang diijinkan. Ukuran diameter kawat filamen akan berkurang dengan waktu, karena efek penguapan dari wolfram. Dengan semakin seringnya dipakai, maka diameter akan semakin mengecil sampai akhirnya dapat terbakar. Umur filamen pada kondisi kerja maksimum adalah 2000 jam. Pemakaian di bawah kondisi kerja maksimum dapat memperpanjang umur filamen. Semua tabung sinar X mempunyai daya maksimum yang tidak boleh dilewati agar tidak merusak tabung. Batas ini dikontrol oleh jumlah panas yang dapat dihantarkan oleh logam target dan biasanya dinyatakan oleh pabrik pembuat tabung sebagai arus maksimum (mA) untuk tegangan tabung tertentu
(kV). Ukuran dan bentuk titik focus (focal spot) harus dibuat sekecil mungkin sehingga energi elektron terpusat pada bagian kecil permukaan target. Dengan demikian intensitas sinar X yang dihasilkan akan tinggi. Luas permukaan logam target yang terlalu kecil menguntungkan ditinjau dari ukuran titik fokus yang dihasilkan, tetapi proses pendinginan akan berjalan lambat. Karena itu, dalam perancangan tabung sinar X, logam target tidak dibuat tegak lurus terhadap berkas elektron yang datang, melainkan dengan kemiringan tertentu. Dengan cara ini, maka luas permukaan logam target yang menghantar panas dapat dibuat lebih besar dan titik fokusnya juga berukuran kecil. Pada gambar 5 ditunjukkan salah satu hasil analisa sruktur kristal senyawa Si, dimana dalam spektra tersebut muncul beberapa puncak yang menunjukkan tidak hanya ada 1 jenis kristal, melainkan ada beberapa. Secara umum diagram alir untuk analisa dengan penginderaan karakteristik mikroskopi :
Gambar 5: Diagram alir penginderaan karakteristik XRD.
6. Contoh Hasil Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD)
Gambar 6: Grafik hubungan antara intensitas dengan energi hasil karakterisasi EDAX lapisan tipis CdSe yang dipireparasi dengan teknik CSVT. Sumber : Jurnal dengan judul Struktur Kristal, Morfologi Permukaan dan Sifat Optik Bahan CdSe Hasil Preparasi dengan Teknik Close Spaced Vapor Transport (CSVT) untuk Aplikasi Sel Surya
Gambar 7: Pola XRD untuk sampel yang disinterring pada suhu 900 oC. Sumber : Anonim, tanpa tahun Pada gambar diatas menunjukkan pola XRD untuk sampel yang disintering pada suhu 900oC. Ternyata, dari gambar memperlihatkan bahwa terdapat 2 fasa
yaitu, fasa dominan BaO6Fe2O3 dan juga fasa minor yaitu Fe2O3. Fasa BaO6Fe2O3 yang terbentuk pada suhu sintering 900oC ini diperkirakan sebanyak 60,99% dan fasa minor Fe2O3 sebanyak 39,01%. Dimana diketahui bahwa fasa minor Fe2O3 ini masih bersifat soft magnetic . Yang berarti bahwa sifat kemagnetan dari sampel ini masih lemah.
Gambar 8: Kurva Histeris pada suhu sintering 900 oC. Sumber : Anonim, tanpa tahun Pada gambar diatas menunjukkan kurva histerisis untuk sampel uji pada kondisi 900oC. Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa Kurva [BH] sampel A memiliki lebar kurva yang sempit. Adanya penyempitan lebar kurva [BH] disebabkan pada sampel B struktur kristalnya tidak hanya BaO6Fe2O3 saja tetapi ada Fe2O3, dimana fasa Fe2O3 bersifat cenderung bersifat soft magnetic, oleh karena itu lebar kurva [BH] menyempit. Nilai -Hc yang diperoleh yaitu 429 Oersted. Nilai ini jauh lebih kecil jika dibandingkan dengan literature yang memiliki nilai koersivitas sebesar 1457 Oersted, atau sekitar 29,44% dari nilai teoritis.[Moulson A.J, et all., 1985 dimuat dalam artikel oleh Anonim, tanpa tahun].
DAFTAR PUSTAKA Anonim. 2015. XRD (X-Ray Powder Difraction). Chemical Eng. UGM. https://materialcerdas.wordpress.com/alat-karakterisasi/xrd-x-raydifraction/. 29 Juni 2017. Anonim. Tanpa Tahun. BAB I_Pengantar_Teknik_Karakterisasi.pdf. Anonim. Tanpa Tahun. Chapter_III-V.pdf. Aptika, Oktaviana TD. 2009. Teknologi Penginderaan Mikroskopi. Tugas Makalah. Universitas Sebelas Maret. Surakarta. Ariswan. 2013. Struktur Kristal, Morfologi Permukaan dan Sifat Optik Bahan CdSe Hasil Preparasi dengan Teknik Close Spaced Vapor Transport (CSVT) untuk Aplikasi Sel Surya. Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo : 97-102. Jamaluddin, K. 2010. X-RD (X-Ray Diffractions). Makalah Fisika Material. Halaman 3-5. Kendari. Mukti, Kusnanto. 2012. Fabrikasi dan Karakterisasi XRD (X-Ray Difractometer). Makalah. Universitas Sebelas Maret. Surakarta. Naufal, Fauzan, dkk. Tanpa tahun. X-Ray Diffraction by kelompok IV. Presentation. Setyadhani, Riana Tri. 2012. X-Ray Diffraction (XRD). Nanudz Blog- UNS. http://naudz.blog.uns.ac.id/2012/12/28/x-ray-diffraction-xrd/. 29 Juni 2017.
