LAPORAN AKHIR Analisis Difraksi Sinar X (XRD)
(Modul 1.3)
Kode Grup
: PM-5
Nama
: Satria Auffa Dhiya ‘Ulhaque
NPM
: 140310110012 140310110012
Partner
: Yonatan R. Purba
NPM
: 1403101100
Hari/Tanggal eksperimen
: Jum’at, 25 Oktober 2013
Waktu
: 13.30 – 13.30 – 16.00 16.00
Asisten
: Dwika
Hari/Tanggal penyerahan laporan: laporan: Jum’at, 01 November 2013
LABORATORIUM FISIKA MATERIAL JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PADJADJARAN 2013
Analisis Difraksi Sinar X (XRD)
(Modul 1.3)
Kode Grup
: PM-5
Nama
: Satria Auffa Dhiya ‘Ulhaque
NPM
: 140310110012 140310110012
Partner
: Yonatan R. Purba
NPM
: 1403101100
Hari/Tanggal eksperimen
: Jum’at, 25 Oktober 2013
Waktu
: 13.30 – 13.30 – 16.00 16.00
Asisten
: Dwika
Hari/Tanggal penyerahan laporan: laporan: Jum’at, 01 November 2013
NILAI
Jatinangor, 01 November 2013
Asisten,
MODUL 1-3 ANALISIS DIFRAKSI SINAR X (XRD)
I
TUJUAN PERCOBAAN
1.
Memahami prinsip analisis XRD
2.
Menghitung Indeks Miller dari data XRD dengan parameter kisi tertentu (ECCO)
3.
Menghitung parameter kisi dari data XRD dengan Indeks Miller tertentu (ECCZO dan ECCNO) dengan menggunakan software Cell Calculation
II
TEORI DASAR Menurut derajat keteraturannya, zat padat dapat dibedakan menjadi 2
macam, yaitu kristal dan amorf. Dalam padatan kristal, atom-atom berikatan secara teratur membentuk struktur yang teratur. Setiap unit kristal terkecil, memiliki sudut tertentu dan unit-unit itu tersusun rapi dengan sudut-sudut yang semuanya sama. Contoh kristal unsur adalah intan dan kristal senyawa adalah natrium klorida, NaCl yang kita kenal sebagai garam dapur. Untuk kristal logam, kristal ini memiliki ciri khas yang berbeda dengan kristal yang lain. Dalam logam, ion-ion positif logam teratur rapi yang terikat kuat menjadi satu yang dikelilingi oleh arus elektron. Kejadian inilah yang menyebabkan kristal logam dapat menghantar listrik atau sebagai konduktor listrik. Diantara kedua kristal sempurna (tunggal) di satu pihak, dan keadaan amorf di pihak lain, terdapat keadaan yang disebut polikristal (kristal jamak). Zat padat pada keadaan ini tersusun oleh kristal-kistal kecil. Bila ukuran kristalnya dalam ukuran orde mikrometer, bahan yang bersangkutan termasuk kristal mikro (microcrystalline); dan bila ukuran kristalnya dalam orde nanometer, maka bahannya digolongkan sebagai kristal nano (nanocrystalline). Metode difraksi sinar-X adalah salah satu cara untuk mempelajari keteraturan atom atau molekul dalam suatu struktur tertentu. Jika struktur atom
atau molekul tertata secara teratur membentuk kisi, maka radiasi elektromagnetik pada kondisi eksperimen tertentu akan mengalami penguatan. Pengetahuan tentang kondisi eksperimen itu dapat memberikan informasi yang sangat berharga tentang penataan atom atau molekul dalam suatu struktur Difraksi sinar-X dapat memberikan informasi tentang struktur polimer, termasuk tentang keadaan amorf dan kristalin polimer. Polimer dapat mengandung daerah kristalin yang secara acak bercampur dengan daerah amorf. Difraktogram sinar-X polimer kristalin menghasilkan puncak-puncak yang tajam, sedangkan polimer amorf cenderung menghasilkan puncak yang melebar. Pola hamburan sinar-X juga dapat memberikan informasi tentang konfigurasi rantai dalam kristalit, perkiraan ukuran kristalit, dan perbandingan daerah kristalin dengan daerah amorf (derajat kristalinitas) dalam sampel polimer.
Gambar Sistem Kristal dan 14 Kisi Bravais Difraksi Sinar-X
Untuk menguji suatu zat padat apakah bahan tersebut berupa kristalin atau amorfous, dapat dilakukan dengan pengukuran difraksi sinar-X. Dengan difraksi, struktur atomik kristal dapat dipastikan dan menggambarkan 3 dimensi susunan sebenarnya dari atom-atom tersebut. Difraksi sinar-X dapat mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel. XRD terdiri dari slit dan film serta monokromator. Hasil yang diperoleh dari metode ini berupa intensitas relatif (I/II) dan sudut
hamburan 2 . Hamburan sinar-X berasal dari atom-atom yang membentuk bidang kisi kristal dari sampel yang diamati. Sinar-X merupakan radiasi elektromagnetik yang memiliki energi tinggi 200 eV sampai 1 M eV. Sinar-X dihasilkan oleh interaksi antara bekas elektron dengan elektron pada kulit atom. Spektrum sinar-x memiliki panjang gelombang 5-10 nm berfrekuensi 1017-1020 Hz dan memiliki energi 103-106 eV. Panjang gelombang sinar-X sesuai dengan jarak atom didalam kristal yaitu orde 1 A (frequensi ~ 1018 Hz) dengan energy sekitar 10 14eV sehingga dapat digunakan sebagai sumber difraksi kristal. Jika sebuah atom berinteraksi dengan sinar-X, elektron-elektron pada atom tersebut akan mengalami radiasi pad frekuensi dengan radiasi sinar datang. Superposisi gelombang radiasi dari atom-atom tunggal dalam kristal akan menghasilkan refraksi dengan perbedaan lintasan. Seperti pada gambar di bawah ini: Persamaan Bragg dan Cara Kerja XRD
Berdasarkan persamaan Bragg jika seberkas sinar X dijatuhkan pada sampel kristal, maka bidang itu akan membiaskan sinar X. Sinar-sianr yang dibiaskan akan ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan sebagai sebuah ouncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel makin
kuat intensiats pembiasan yang dihasilkan. Tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili suatu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu. Puncak dari hasil pengukuran dicocokan dengan standar difraksi sinar X untuk semua jenis material. Persamaan Bragg untuk difraksi sinar X memerlukan syarat tertentu agar difraksi terjadi dengan interferensi konstruktif, saat sinar-X menegenai beberapa bidang atom dalam kristal. Misal jika pengahambur gelombang terletak pada titiktitik kisi Bravais, maka faktor struktur kisi S,
⃗ ∑ ⃗ Dalam kristal sempurna dengan ukuran terbatas maka titik kisi bravais harga faktor struktur S
, hanya dan hany jika,
⃗
⃗ ⃗
Sesuai sifat yang telah diperoleh,
∑ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ Jadi syarat pertama yang harus dipenuhi agar terjadi interferensi konstruktif pada gelombang oleh penghambur yang tersebar seperti kisi bravais adalah bahwa vektor hamburan S sama dengan suatu vektor kisi respirok dari kisi kristal bersangkutan, maka:
|| || dan
Sehingga,
⃗ ⃗
Persamaan Bragg
Secara fisis perbedaan sinar yang direfleksikan dari dua bidang yang berdekatan
. Radiasi yang direfleksikan oleh bidang-bidang berdekatan kan
terjadi jika perbedaan lintasan ini sama dengan kelipatan bilangan bulat n dari panjang gelombang. Hubungan Antara Kisi Respirok dan Bidang Kristal Dari Kisi Nyata
Untuk mendiskripsikan perubahan properti dari kristalin material seperti respon
material
tersebut
terhadap
proses
deformasi
maka
kita
perlu
mendiskripsikan dengan bahasa yang universal mengenai:
1.
Arah didalam kristal
2.
Bidang/irisan atomis (atomic planes) dalam sebuah kristal
Arah dalam latis kristal ditentukan relatif terhadap aksisnya yang didefinisikan oleh unit vektor dari unit sel. Indeks dari arah suatu kristal dituliskan dalam tanda kurung. Arah dari kristal adalah suatu vektor yang dapat dinyatakan dalam unit vektor a, b dan c. Secara umum indeks dari arah diberikan dalam bentuk [uvw] dimana u, v dan w adalah bilangan bulat yang terkecil. Untuk vektor berarah negatif maka dituliskan dengan menambahkan garis diatas u, v atau w. Contoh beberapa arah kristal pada sistem cubic dijelaskan dalam gambar dibawah ini.
(sumber=nie.edu.sg) Karena irisan dari sebuah kristal merupakan objek dua dimensi, maka garis normal dari bidang irisan tersebut digunakan untuk mendiskripsikan bidang tadi. Miller indeks biasa digunakan untuk menentukan bidang irisan didalam kristal. Satu set bidang yang paralel dengan jarak yang seragam memiliki indeks yang sama. Indeks untuk bidang irisan dituliskan dalam kurung ( ). Biasa dipakai tiga bilangan bulat, h, k dan l sehingga dituliskan (h k l). Jika sebuah bidang sejajar dengan suatu aksis maka indeks untuk aksis ini nilainya 0. Jika arah dari suatu bidang bernilai negatif, maka indeks diberi tanda garis diatasnya. Contoh dari penamaan bidang irisan kristal ditunjukan pada gambar berikut ini.
Langkah mudah untuk memberikan indeks miller dari suatu bidang irisan adalah sebagai berikut: 1. Ambil titik asal (titik 0) dari bidang 2. Tentukan nilai intersep dari setiap aksis (1/h)a, (1/k)b, (1/l)c dari titik asal, contoh jika intersep adalah (1/2)a, (1/3)b, (1/1)c, maka indeks bidang tersebut adalah (2 3 1) seperti gambar dibawah ini. 3. Jika intersep ∞ atau bidang paralel dengan aksis maka indeksnya bernilai nol.
Arti fisis dari Miller indeks adalah indeks ini menyatakan: 1. Orientasi dari bidang atomik melalui harga h, k dan l 2.
Jarak antar bidang, yaitu jarank antara bidang yang melewati ti tik asal dengan bidang berikutnya. Perbedaan jarak dari dua bidang dicontohkan dengan gamabr dibawah ini, bidang (2 2 2) memiliki jarak antar bidang yang lebih kecil dari bidang (1 1 1).
Jarak dari satu set bidang (hkl)) adalah jarak terpendek dari dua bidang yang berdekatan. Jarak merupakan fungsi dari (hkl), yang secara umum semakin besar harga indeks maka semakin kecil jarak antar bidang tersebut. Untuk latis berbentuk kubik, rumus dari jarak antar bidang hkl (dhkl):
Nilai a adalah latis parameter. Untuk bentuk – bentuk kristal yang lain rumusnya lebih rumit. Indeks Miller membentuk suatu sistem notasi dalam kristalografi untuk pesawat
dan arah dalam kristal (Bravais) kisi .
Secara khusus, sebuah keluarga bidang kisi ditentukan oleh tiga bilangan bulat ℓ , m , dan n , yang indeks Miller . Mereka ditulis (hkt), dan indeks masingmasing
menunjukkan
pesawat
ortogonal
terhadap
arah
(h,
k,
l)
dalam dasar dari kisi resiprokal vektor. Dengan konvensi, integer negatif ditulis dengan bar, seperti pada 3 untuk -3. Bilangan bulat biasanya ditulis dalam istilah terendah, yaitu mereka pembagi umum terbesar harus 1. Indeks Miller 100 merupakan pesawat ortogonal ke arah ℓ; indeks 010 merupakan pesawat ortogonal ke arah m , dan indeks 001 merupakan pesawat ortogonal untuk n .
Ada juga beberapa notasi yang terkait :
notasi {mn} ℓ menunjukkan himpunan semua pesawat yang setara dengan (ℓ mn) oleh simetri kisi.
Dalam konteks arah kristal (bukan pesawat), notasi yang sesuai adalah:
[ℓ mn], dengan persegi bukan kurung bulat, menunjukkan arah di dasar langsung vektor kisi kisi bukannya timbal balik, dan
sama, yang menunjukkan notasi himpunan semua arah yang setara dengan [ℓ mn] dengan simetri.
III
METODOLOGI PERCOBAAN
3.1 ALAT – ALAT PERCOBAAN
Cell calculation software
Data XRD ECCO, ECCNO, dan ECCZO
3.2 PROSEDUR PERCOBAAN
Membuka data hkl dan sudut 2 theta.
Membuka data observasi.
Masukkan besar d observasi dan juga besar nilai 2 theta kedalam program cell calc.
Memilih jenis sistem tetragonal kristal pada program cell calc.
Olah datanya menggunakan cell calc dengan mngeeksekusi program tersebut. Men-screen shoot tampilan cell calc saat memproses data..
IV
PENGOLAHAN DATA
1. Dengan menggunakan persamaan :
√
Didapatkan Indeks Miller pada 2θ tertentu, yaitu : Dengan a = 3,9079 c =11,8602 λ =1,54184; dan n = 1 Sampel ECCO: h
k
L
0
1
0
1
0
0
0
1
0
1
d 1 3,62933 3 2,86782 5 2,647 4 2,48796 5 2,1671
sin 0,21224 0,26859 0,291 0,3096 0,35544
(rad) 0,21386 0,27193 0,29527 0,31478 0,36339
(derajat) 12,25972761 15,58854194 16,92648293 18,04443229 20,83111095
2 24,5195 31,1771 33,853 36,0889 41,6622
1
0
5
1
1
6
0
1
7
1
0
8
1
3
1
2,1671 1,7002 1,69044 1,51519 1,18862
0,35544 0,45305 0,45567 0,50837 0,64805
0,36339 0,47019 0,47312 0,53329 0,70501
20,83111095 26,95336766 27,12169 30,57097993 40,41486415
41,6622 53,9067 54,2434 61,142 80,8297
Dimana hasil data percobaan sebenarnya : Sudut 2 θ
d observasi
23,955
3,7118
32,21
2,7769
35,53
2,5246
38,79
2,3193
44,845
2,0195
46,425
1,9544
52,91
1,7291
57,67
1,5972
59,535
1,5515
67,775
1,3815
77,04
1,2369
Sampel ECCNO: h
k
l
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
0
0
0
2
0
2
1
2
1
1
1
2
d 1 3,62933 4 3,30875 3 2,86782 2 2,47495 4 2,48796 4 2,07721 6 2,20583 1 1,86811 2 1,81466 1 1,67423 6 1,7002 3 1,57636
sin 0,21224 0,2328 0,26859 0,31123 0,3096 0,37083 0,3492 0,41233 0,42448 0,46008 0,45305 0,48864
(rad) 0,21386 0,23496 0,27193 0,31649 0,31478 0,3799 0,35672 0,42501 0,43838 0,47809 0,47019 0,51053
(derajat) 12,25972761 13,46885726 15,58854194 18,14256918 18,04443229 21,77755721 20,4488412 24,36373907 25,13018718 27,4062534 26,95336766 29,26633522
2 24,5195 26,9377 31,1771 36,2851 36,0889 43,5551 40,8977 48,7275 50,2604 54,8125 53,9067 58,5327
1,53653 1,50348 1,42311 1,43391 1,51519 1,18862 1,2591 1,24398 1,12265
0,50131 0,51233 0,54127 0,53719 0,50837 0,64805 0,61177 0,61921 0,68613
d 1 3,62933 4 3,30875 3 2,86782 2 2,47495 4 2,48796 4 2,07721 6 2,20583 1 1,67423 6 1,7002 3 1,57636 7 1,69044 8 1,65438 6 1,43391 8 1,51519 3 1,20978 8 1,24398 5 1,13621 6 1,14169
sin 0,21224 0,2328 0,26859 0,31123 0,3096 0,37083 0,3492 0,46008 0,45305 0,48864 0,45567 0,4656 0,53719 0,50837 0,63671 0,61921 0,67794 0,67469
0
2
5
1
2
4
2
1
5
2
0
6
1
0
8
1
3
1
2
1
7
2
0
8
1
3
4
0,52511 0,5379 0,57194 0,5671 0,53329 0,70501 0,6583 0,66773 0,75615
30,1019698 30,83490748 32,7865089 32,50894552 30,57097993 40,41486415 37,73679421 38,27752604 43,34634985
60,2039 61,6698 65,573 65,0179 61,142 80,8297 75,4736 76,5551 86,6927
Sampel ECCZO: h
k
l
0
1
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
0
1
2
1
1
1
2
0
1
0
0
2
0
0
1
0
3
2
0
0
3
2
2
(rad) 0,21386 0,23496 0,27193 0,31649 0,31478 0,3799 0,35672 0,47809 0,47019 0,51053 0,47312 0,48431 0,5671 0,53329 0,69023 0,66773 0,74495 0,74054
2. Mengolah data menggunakan software Cell calc Sampel ECCO:
(derajat) 12,25972761 13,46885726 15,58854194 18,14256918 18,04443229 21,77755721 20,4488412 27,4062534 26,95336766 29,26633522 27,12169 27,76325212 32,50894552 30,57097993 39,56719008 38,27752604 42,7043377 42,45132555
2 24,5195 26,9377 31,1771 36,2851 36,0889 43,5551 40,8977 54,8125 53,9067 58,5327 54,2434 55,5265 65,0179 61,142 79,1344 76,5551 85,4087 84,9027
Sampel ECCNO:
Sampel ECCZO:
V
PEMBAHASAN HASIL
5.1 Pembahasan Hasil Percobaan Pada percobaan ini sampel ECCO memiliki bentuk kisi sistem tetragonal yang dimana nilai d hkl dipengaruhi nilai a, b dan c. Dimana nilai a = b. Kemudian dicari nilai-nilai hkl dengan cara memasukan sembarang nilai dimana akan menghasilkan nilai d yang mendekati nilai d sebenarnya atau nilai d observasi. Pada percobaan ini digunakan perumusan
√
Nilai h k l yang berbeda akan membuat nilai yang berbeda pula. Pada hasil perhitungan menggunakan hubungan antara Indeks Miller dan Hukum Bragg menggunakan rumusan diatas dalam program Cell Calc, diketahui bahwa sampel ECCO, ECCNO, ECCZO hanya memiliki parameter kisi a dan c, sebenarnya ketiga sampel tersebut memiliki besar parameter kisi b juga, tetapi tidak ditampilkan pada hasil perhitungan di program cell calc
karena bentuk kristal yang dimiliki ketiga sampel
tersebut adalah tetragonal, dimana nilai a & b nya adalah sama. Pada sampel ECCO terlihat bahwa ECCO memiliki besar parameter kisi a sebesar 3,93829 dan besar parameter kisi a sebesar 11, 93181. Ketika sampel ECCO didoping menggunakan atom Ni, besar parameter kisi a-nya akan turun menjadi 3,92929 dan juga parameter kisi b-nya akan turun menjadi 11,79968. Hal ini menunjukkan bahwa diameter atom dari Ni yang menjadi doping dari ECCO memiliki diameter atom yang lebih kecil dibanding diameter atom ECCO, sehingga nilai parameter kisinyapun menurun. Lain halnya apabila ECCO di doping dengan atom Zn. Ketika ECCO didoping dengan atom Zn nilai parameter kisinya akan berubah menjadi semakin besar. Misalnya nilai parameter kisi a-nya bertambah besar menjadi 3,91698 dan besar parameter kisi b-nya juga bertambah besar menjadi 11,36557, hal ini karena ECCO di doping dengan Zn yang memiliki diameter tom yang sedikit lebih besar bila dibandingkan dengan diameter atom ECCO itu sendiri. Selain perubahan nilai parameter kisi, pada penambahan doping ECCO terlihat bahwa puncak-[puncak kristal menjadi bertambah banyak, hal ini terjadi karena ada beberapa bagian pada bidang yang ketika
diberikan
doping
akan
menjadi
tumbuh
puncak-puncak
kristalnya, hal ini terlihat dari banyaknya intensitas cahaya terhadap
sudut 2 dobservasi yang teramati dari spektroskopi Dispersi Sinar X.
5.2
KESIMPULAN
Analisis XRD menggunakan prinsip hukum bragg menjelaskan tentang difraksi pada strutur zat padat baik kristalin maupun amorfous menggunakan sinar X. Analisis menggunakan XRD dapat mengetahui arah bidang kristalografik dengan mengolah data d observasi dan sudut 2
.
Kita dapat menghitung Indeks Miller dari data XRD dengan parameter kisi yang terlah diketahui, sehingga indeks miller dapat diperoleh pula dari perubahan θ ataupun data d observasi.
DAFTAR PUSTAKA
Irvina
F,
dkk.
2009.
X-Ray
Difractometer
(XRD).
http://kimia.ft.uns.ac.id/file/index.php?dir=kuliah/ (diakses tanggal 3 Oktober 2012) http://materialcerdas.wordpress.com/teori-dasar/struktul-kristal-2/ (diakses tanggal 31 Oktober 2013) Struktur Kristal. http://file.upi.edu/direktori/.../jur../ 1. Struktur_Kristal_ (handout).pdf (diakses 31 Oktober 2013) Irfa,dkk.
Susunan
Atom
dalam
http://staf.ui.ac.id/internal/040603019/material/susunan padat.pdf (diakses tanggal 31 Oktober 2013)
Benda atom
dalam
Padat. benda
