Makalah XRD [PDF]

Citation preview

MAKALAH



X-Ray Diffraction (XRD)



Disusun Oleh: AFFAN HAFIDZ



NIM: 1910246991



Dosen Pengampuh: Dr. Rasmiwetti, MS



PROGRAM STUDI PASCASARJANA PENDIDIKAN KIMIA FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS RIAU 2019



ii



KATA PENGANTAR Segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan kami kemudahan sehingga kami dapat menyelesaikan makalah ini dengan tepat waktu. Tanpa pertolonganNya tentunya kami tidak akan sanggup untuk menyelesaikan makalah ini dengan baik. Shalawat serta salam semoga terlimpah curahkan kepada baginda tercinta kita yaitu Nabi Muhammad SAW yang kita nanti-natikan syafa’atnya di akhirat nanti. Penulis mengucapkan syukur kepada Allah SWT atas limpahan nikmat sehat-Nya, baik itu berupa sehat fisik maupun akal pikiran, sehingga penulis mampu untuk menyelesaikan pembuatan makalah sebagai tugas dalam mata kuliah kimia analitik yang berjudul “X-Ray Diffraction (XRD)” Penulis tentu menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kata sempurna dan masih banyak terdapat kesalahan serta kekurangan di dalamnya. Untuk itu, penulis mengharapkan kritik serta saran dari pembaca untuk makalah ini, supaya makalah ini nantinya dapat menjadi makalah yang lebih baik lagi. Kemudian apabila terdapat banyak kesalahan pada makalah ini penulis mohon maaf yang sebesar-besarnya. Demikian, semoga makalah ini dapat bermanfaat. Terima kasih.



Pelalawan, 20 Juni 2020



Penulis



i



DAFTAR ISI COVER KATA PENGANTAR .............................................................................................. i DAFTAR ISI ............................................................................................................. ii DAFTAR ALMPIRAN SOAL DAN PEMABAHASAN ...................................... iii BAB I: PENDAHULUAN A. Latar Belakang ..................................................................................................... 1 B. Rumusan Masalah ................................................................................................ 2 C. Tujuan ................................................................................................................... 2 BAB II: PEMBAHASAN A. X-Ray Diffraction (XRD) ..................................................................................... 3 B. X-Ray Diffractometer dan komponen-komponennya ........................................... 11 C. Prinsip Kerja X-Ray Diffractometer ..................................................................... 15 D. Manfaat X-Ray Diffractometer ............................................................................. 17 E. Kelebihan dan Kekurangan X-Ray Diffraction(XRD)........................................... 18 F. Contoh Pola Difraksi pada suatu Bahan ............................................................... 18 BAB III: KESIMPULAN ......................................................................................... 19 DAFTAR PUSTAKA................................................................................................ 21



ii



LAMPIRAN SOAL DAN PEMBAHASAN Soal No. 1.................................................................................................................... 22 Soal No. 2.................................................................................................................... 23 Soal No. 3 ................................................................................................................... 25 Soal No. 4 ................................................................................................................... 26 Soal No. 5 ................................................................................................................... 27



iii



BAB I PENDAHULUAN A. LATAR BELAKANG 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. Selain itu, sinar-X juga digunakan untuk menghasilkan pola difraksi tertentu yang dapat digunakan dalam analisis kualitatif dan kuantitatif material. 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.



Ada berbagai jenis teknik yang dikembangkan untuk analisa sampel, salah satu satunya teknik yang menggunakan sinar-X. Teknik yang menggunakan sinar-X antara lain X-Ray Absorption (XRA), X-Ray Fluorescence(XRF) dan XRay Diffraction(XRD). Namun, pembahasan akan difokuskan pada teknik XRD. Panjang gelombang sinar-X memiliki orde yang sama dengan jarak antar atom sehingga dapat digunakan sebagai sumber difraksi kristal. Ketika 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 sinarX 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. Salah satu jenis alat yang menerapkan prinsip tersebut adalah X-Ray Diffractometer. Pada makalah ini akan dijelaskan



mengenai pengertian X-Ray Diffraction (Difraksi Sinar-X), komponen-



1



komponen yang terdapat pada X-Ray Diffractometer, prinsip kerja X-Ray Diffractometer, manfaat serta kelebihan dan kekurangan X-Ray Diffractometer.



B. RUMUSAN MASALAH 1. Apa pengertian X-Ray Diffraction (XRD)? 2. Apa saja komponen-komponen yang terdapat pada X-Ray Diffractometer? 3. Bagaimana prinsip kerja X-Ray Diffractometer? 4. Apa manfaat yang diperoleh dari X-Ray Diffractometer? 5. Apa kelebihan dan kekurangan X-Ray Diffraction? C. TUJUAN 1. Menjelaskan pengertian X-Ray Diffraction (XRD). 2. Menjelaskan



komponen-komponen



yang



terdapat



pada



Diffractometer. 3. Menjelaskan prinsip kerja X-Ray Diffractometer. 4. Menjelaskan manfaat yang diperoleh dari X-Ray Diffractometer. 5. Menjelaskan kelebihan dan kekurangan X-Ray Diffraction.



2



X-Ray



BAB II PEMBAHASAN A. X-Ray Diffraction (XRD) XRD merupakan teknik yang digunakan untuk mengidentifikasi



fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter struktur kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel. Karakterisasi menggunakan metode difraksi merupakan metode analisa yang penting untuk menganalisa suatu Kristal (Smallman dan Bishop, 1999). XRD dapat memberikan data kualitatif dan semi kuantitatif pada padatan atau sampel. XRD digunakan untuk beberapa hal yaitu (1) pengukuran jarak rata-rata antara lapisan atau baris atom; (2) penentuan kristal tunggal; (3) penentuan struktur kristal dari material yang tidak diketahui dan (4) mengukur bentuk, ukuran, dan tegangan dalam dari kristal kecil Kristal terbentuk dari komposisi atom-atom, ion-ion atau molekulmolekul zat padat yang memiliki susunan berulang dan jarak yang teratur dalam tiga dimensi. Pada hubungan lokal yang teratur, suatu kristal harus memiliki rentang yang panjang pada koordinasi atom-atom atau ion dalam pola tiga dimensi sehingga menghasilkan rentang yang panjang sebagai karakteristik dari bentuk kristal tersebut. Ditinjau dari struktur atom penyusunnya, bahan padat dibedakan menjadi tiga yaitu kristal tunggal (monocrystal), polikristal (polycrystal), dan amorf (Smallman, 2000: 13). Pada kristal tunggal, atom atau penyusunnya mempunyai struktur tetap karena atom-atom atau molekulmolekul penyusunnya tersusun secara teratur dalam pola tiga dimensi dan pola-pola ini berulang secara periodik dalam rentang yang panjang tak berhingga. Polikristal dapat didefinisikan sebagai kumpulan dari kristalkristal tunggal yang memiliki ukuran sangat kecil dan saling menumpuk yang membentuk benda padat. Struktur amorf menyerupai pola hampir sama dengan kristal, akan tetapi pola susunan atom-atom, ion-ion atau molekul-molekul yang dimiliki tidak teratur dengan jangka yang pendek. Amorf terbentuk karena proses pendinginan yang terlalu cepat sehingga



3



atom-atom tidak dapat dengan tepat menempati lokasi kisinya. Bahan seperti gelas, nonkristalin ataupun vitrus yaitu memiliki struktur yang identik dengan amorf . Susunan dua-dimensional simetris dari dua jenis atom yang berbeda antara kristal dan amorf ditunjukan pada Gambar 1.



Susunan khas atom-atom dalam kristal disebut struktur kristal. Struktur kristal dibangun oleh sel satuan (unit cell) yang merupakan sekumpulan atom yang tersusun secara khusus, secara periodik berulang dalam tiga dimensi dalam suatu kisi kristal (crystal lattice). Geometri kristal dalam ruang dimensi tiga yang merupakan karakteristik kristal memiliki pola yang berbeda-beda. Suatu kristal yang terdiri dari jutaan atom dapat dinyatakan dengan ukuran, bentuk, dan susunan sel satuan yang berulang dengan pola pengulangan yang menjadi ciri khas dari suatu kristal.



Sumbu-sumbu a, b, dan c adalah sumbu-sumbu yang dikaitkan dengan parameter kisi kristal. Untuk α, β, dan γ merupakan sudut antara sumbusumbu referensi kristal. Menurut anggapan Bravais (1848), berdasarkan kisi bidang dan kisi ruang kristal mempunyai 14 kisi dan berdasarkan



4



perbandingan sumbu-sumbu kristal dan hubungan sudut satu dengan sudut yang lain, kristal dikelompokkan menjadi 7 sistem kristal seperti yang dapat dilihat pada Tabel 1.



5



Dalam sistem tiga dimensi, kisi kristal akan membentuk pasangan bidang-bidang sejajar dan berjarak sama yang disebut bidang-bidang kisi. Bidang-bidang kisi inilah yang akan menentukan arah permukaan dari suatu kristal. Arah suatu bidang dapat dinyatakan dengan parameter numeriknya. Indeks Miller merupakan harga kebaikan dari parameter numerik yang dinyatakan dengan simbol (h k l). Pada Gambar 4, secara umum perpotongan bidang dengan sumbu dinyatakan dengan 2a, 2b, dan 3c sehingga parameter numeriknya adalah 2, 2, 3 dan indeks Miller dari bidang di bawah adalah: (hkl) = h : k : l = ½ : ½ : 1/3. (hkl) = (1/2 ½ 1/3 ) atau (3 3 2). Pada Gambar 4, secara umum perpotongan bidang dengan sumbu dinyatakan dengan 2a, 2b, dan 3c sehingga parameter numeriknya adalah 2, 2, 3 dan indeks Miller dari bidang di bawah adalah:



6



Berikut ini merupakan jarak antar bidang-bidang kristal (hkl) : (Cullity,2001)



Suatu kristal memiliki susunan atom yang tersusun secara teratur dan berulang, memiliki jarak antar atom yang ordenya sama dengan panjang



gelombang



sinar-X.



Akibatnya,



bila



seberkas



sinar-X



ditembakkan pada suatu material kristalin maka sinar tersebut akan



7



menghasilkan pola difraksi khas. Pola difraksi yang dihasilkan sesuai dengan susunan atom pada kristal tersebut. Berkas sinar-x yang dihasilkan oleh sebuah sumber dapat terdiri atas dua jenis spektrum, yaitu spetrum kontinyu dan spektrum diskrit. Spektrum kontinyu dan spektrum diskrit masing-masing sering juga disebut polikromatik dan monokromatik. Spektrum kontinyu sinar-x timbul akibat adanya pengereman elektron-elektron yang berenergi kinetik tinggi oleh anoda. Pada saat terjadi pengereman tersebut, sebagian dari energi kinetiknya diubah menjadi sinar-x. Proses pengereman ini dapat berlangsung baik secara tiba-tiba ataupun secara perlahan-lahan, sehingga energi sinar-x yang dihasilkannya akan memiliki rentang energi yang sangat lebar. Jika elektron-elektron tersebut direm secara tiba-tiba, maka seluruh energi kinetiknya akan diubah seketika menjadi energi sinar-x dan energi panas yang numpuk pada anoda. Energi sinar-x ini merupakan energi tertinggi tertinggi yang dapat dihasilkan oleh sebuah sumber sinar-x. Atau dengan kata lain panjang gelombang sinar-x ini merupakan panjang gelombang terpendek (λmin) yang dapat dihasilkan oleh sebuah sumber. Tetapi jika elektron-elektron itu direm secara perlahan, maka energi kinetiknya akan diubah secara perlahan pula menjadi energi sinar-x dan energi panas, sehingga sinar-x yang dihasilkannya akan berenergi yang bervariasi sesuai dengan besarnya energi kinetik yang diubahnya. Sinar-x ini akan memiliki panjang gelombang (energi) yang berbeda, sehingga karena itulah sinar-x ini sering disebut sinar-x polikromatik. Sinar-x yang dihasilkan oleh adanya pengereman elektron baik secara tiba-tiba atau pun secara perlahan sering disebut sinar-x bremsstrahlung. Spektrum sinar-x bremsstrahlung ini dapat dilihat pada Gambar 5 yang menunjukan spektrum sinar-x bremstrahlung untuk beberapa harga tegangan tinggi yang digunakan.



8



Gambar 5. Spektrum sinar-x bremstrahlung untuk tegangan tinggi beberapa harga tegangan tinggi V3> V2> V1. Berdasarkan Gambar 5 tersebut dapat disimpulkan bahwa semakin besar tegangan tinggi yang digunakan maka semakin kecil harga λmin yang dihasilkan. Nilai λmin ini secara matematik dapat ditentukan sebagai berikut. Jika elektron yang berenergi kinetik tinggi itu direm secara tibatiba oleh anoda maka seluruh energi kinetiknya akan secara tiba-tiba pula diubah menjadi energi sinar-x tertinggi (hfmax) dan energi panas (Q). Jadi jika energi kinetik elektron yang bergerak di dalam medan listrik yang ditimbulkan oleh tegangan tinggi dinyatakan oleh eV, maka: eV = hfmax + Q. atau eV = hc/λmin + Q, sehingga λmin = (eV - Q)/hc, dimana h adalah konstanta Planck, c adalah cepat rambat cahaya, e adalah muatan listrik elektron, dan V adalah nilai tegangan tinggi yang digunakan. Dalam prakteknya, spektrum bremstrahlung ini jarang digunakan untuk kegiatan eksperimen dan bahkan sering dihindari karena ia memiliki panjang gelombang yang bermacam-macam. Posisi puncak spektrum bremsstrahlung terletak pada



atau



pada



karena Emax berbanding terbalik dengan



λmin.



Untuk



menghidari penumpukan panas (Q) pada anoda, setiap sumber sinar-x yang berdaya besar biasanya selalu dilengkapi dengan aliran air dingin untuk membuang panas (Q) yang timbul. Sinar-x yang lebih bermanfaat dan sering digunakan dalam setiap kegiatan eksperimen khususnya pada XRD adalah sinar-x monokromatik



9



dan sering disebut sinar-x karakteristik. Sinar-x monokromatik (sinar-x karakteristik) ini timbul akibat adanya proses transisi eksitasi elektron di dalam anoda. Sinar-x ini timbul secara tumpang tindih dengan spektrum bremstrahlung. Disamping panjang gelombangnya yang monokromatik, inensitas sinar-x monokromatik ini jauh lebih besar dari pada intensitas sinar-x bremstrahlung. Menurut pendekatan Bragg, kristal dapat dipandang terdiri atas bidang-bidang datar (kisi kristal). Jika sinar-X ditembakkan pada tumpukan bidang datar tersebut, maka beberapa akan didifraksikan oleh bidang tersebut dengan sudut difraksi yang sama dengan sudut datangnya, seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 6, sedangkan sisanya akan diteruskan menembus bidang.



Gambar 6. Difraksi sinar-X berdasarkan hukum Bragg



Penggunaan



XRD



untuk



mempelajari



kisi



kristal



adalah



berdasarkan persamaan Bragg berikut ini:



dimana λ adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan, d adalah jarak antara dua bidang kisi, θ adalah sudut antara sinar datang dengan bidang normal, dan n adalah bilangan bulat yang disebut sebagai orde difraksi. Persamaan Bragg tersebut digunakan untuk menentukan 10



parameter sel kristal. Sedangkan untuk menentukan struktur kristal dengan menggunakan metode komputasi kristalografik, data intensitas digunakan untuk menentukan posisi-posisi atomnya. B. X-Ray Diffractometer dan komponen-komponennya X-Ray Diffractometer merupakan instrumen yang digunakan untuk mengidentifikasi



material



kristalit



maupun



non-kristalit.



X-Ray



Diffractometer terdiri dari tiga bagian utama, yaitu tabung sinar-X (sumber monokromatis), tempat obyek yang diteliti (chamber), dan detektor sinarX yang dapat dilihat pada Gambar 7.



Gambar 7. Komponen-Komponen yang terdapat pada X-Ray Diffractometer (http://up.persian-expert.com). Skema dasar dari X-Ray Diffractometer terdiri dari sebuah sumber radiasi monokromatik dan detektor sinar-X yang diletakkan pada keliling lingkaran. Detektor terletak bersebelahan dengan tabung sinar-X dan dapat digerakkan dengan arah θ dari nilai 0-90o. Detektor sinar-X dapat bergerak sepanjang keliling lingkaran yang memiliki tanda sebagai ukuran besar sudut. Pusat lingkarannya berupa tempat spesimen (chamber). Sebuah 11



celah pemencar (divergent slits) ditempatkan di antara sumber sinar-X dengan spesimen, dan sebuah celah pengumpul (receiving slits) ditempatkan spesimen dan detektor. Celah pengumpul ini dapat membatasi radiasi yang terhambur (bukan yang terdifraksi), mengurangi derau latar (background noise) dan membuat arah radiasi menjadi sejajar. Detektor dan tempat spesimen secara mekanis dibuat berpasangan dengan goniometer. Goniometer merupakan alat untuk mengukur sudut atau membuat suatu obyek (dalam hal ini adalah detektor) berotasi dalam posisi sudut yang tepat. Dalam set X-Ray Diffractometer, rotasi detektor melalui sudut sebesar 2θ terjadi bersamaan dengan rotasi spesimen sebesar θ, dengan perbandingan tetap 2:1. Sinar-X dihasilkan di suatu tabung sinar katode dengan pemanasan kawat pijar untuk menghasilkan elektron-elektron, kemudian elektronelektron tersebut dipercepat terhadap suatu target dengan memberikan suatu voltase, dan menembak target dengan elektron. Ketika elektronelektron mempunyai energi yang cukup untuk mengeluarkan elektronelektron dalam target, karakteristik spektrum sinar-X dihasilkan. 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 8.



Gambar 8. Skema Tabung Sinar-X



12



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). a. Sinar - X 1. Prinsip Kerja Sinar-X Sinar-X merupakan salah satu bentuk radiasi elektromagnetik yang mempunyai energi antara 200 eV–1 MeV dengan panjang gelombang antara 0,5–2,5 Ǻ. Panjang gelombangnya hampir sama dengan jarak antara atom dalam kristal, menyebabkan sinar-X menjadi salah satu teknik dalam analisa mineral (Suryanarayana dan Norton, 1998). Elektron-elektron pada atom akan membiaskan berkas bidang yang tersusun secara periodik seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Difraksi sinar-X oleh atom-atom pada bidang atom paralel a dan a1 yang terpisah oleh jarak d. Dianggap bahwa dua berkas sinar-X i1 dan i2 yang bersifat paralel, monokromatik dan koheren dengan panjang gelombang λ datang pada bidang dengan sudut θ. Jika kedua berkas sinar tersebut berturut-turut terdifraksi oleh M dan N menjadi i1’ dan i2’ yang masing-masing membentuk sudut θ terhadap bidang dan bersifat paralel, monokromatik dan koheren, perbedaan panjang antara i1 – M – i1’ dengan i2 – N – i2’ adalah sama dengan n kali panjang gelombang, maka persamaan difraksi dapat dituliskan sebagai berikut: n λ = ON + NP atau n λ = d sin θ + d sin θ = 2 d sin θ (1) Persamaan (1) dikenal sebagai Hukum Bragg, dengan n adalah bilangan refleksi yang bernilai bulat ( 1, 2, 3, 4, . . ). Karena nilai sin θ tidak melebihi 1, maka pengamatan berada pada interval 0 < θ < π/2, sehingga: < 1 (2) Difraksi untuk nilai n terkecil ( n = 1), persamaan tersebut dapat diubah menjadi : λ < 2d (3)



13



Persamaan (3) menjelaskan bahwa panjang gelombang sinar-X yang digunakan untuk menentukan struktur kristal harus lebih kecil dari jarak antar atom (Zakaria, 2003). Difraksi sinar-X merupakan suatu teknik yang digunakan untuk mengidentifikasi adanya fasa kristalin di dalam material-material benda dan serbuk, dan untuk menganalisis sifat-sifat struktur (seperti stress, ukuran butir, fasa komposisi orientasi kristal, dan cacat kristal) dari tiap fasa. Metode ini menggunakan sebuah sinar-X yang terdifraksi seperti sinar yang direfleksikan dari setiap bidang, berturut-turut dibentuk oleh atom-atom kristal dari material tersebut. Dengan berbagai sudut timbul, pola difraksi yang terbentuk menyatakan karakteristik dari sampel. Susunan ini diidentifikasi dengan membandingkannya dengan sebuah data base internasional (Zakaria, 2003). 2. Pembangkitan Sinar-X Sinar-X dihasilkan dari penembakan target (logam anoda) oleh elektron berenergi tinggi yang berasal dari hasil pemanasan filamen dari tabung sinar-X (Rontgen). Tabung sinar-X tersebut terdiri atas empat komponen utama, yakni filamen (katoda) yang berperan sebagai sumber elektron, ruang vakum sebagai pembebas hambatan, target sebagai anoda, dan sumber tegangan listrik. Untuk dapat menghasilkan sinar-X dengan baik, maka logam yang digunakan sebagai target harus memiliki titik leleh tinggi dengan nomor atom (Z) yang tinggi agar tumbukan lebih efektif. Logam yang biasa digunakan sebagai target (anoda) adalah Cu, Cr, Fe, Co, Mo dan Ag. 3. Karakteristik Sinar-X 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



14



mempunyai energi yang sama dengan selisih energi antara kedua tingkat energi elektron tersebut. Karena setiap jenis atom memiliki tingkat-tingkat energi elektron yang berbeda-beda maka sinar-X yang terbentuk dari proses ini disebut karakteristik Sinar-X. b. Material Uji (spesimen) Sartono (2006), mengemukakan bahwa material uji (spesimen) dapat digunakan bubuk (powder) biasanya 1 mg. c. Detektor 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. C. Prinsip Kerja X-Ray Diffractometer Sampel yang berbentuk serbuk ditaruh ditempat sampel. Sampel dikenakan sinar-X dari sudut θ sebesar 0-90o. Sinar-X dihasilkan di suatu tabung sinar katode dengan pemanasan kawat pijar untuk menghasilkan elektron-elektron, kemudian elektron-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 intensitas dari Kα2. Panjang gelombang yang spesifik merupakan karakteristik dari bahan target (Cu, Fe, Mo, Cr) disaring oleh kertas perak atau kristal monochrometers, yang akan menghasilkan sinarX monokromatik yang diperlukan untuk difraksi. Tembaga adalah bahan sasaran yang paling umum untuk difraksi kristal tunggal, dengan radiasi Cu Kα =05418Å. Sinar-X ini bersifat collimated dan mengarahkan ke sampel. Ketika geometri dari peristiwa



15



sinar-X tersebut memenuhi persamaan Bragg, interferensi konstruktif terjadi dan suatu puncak di dalam intensitas terjadi. Semakin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, semakin kuat intensitas yang dihasilkan. Saat sampel dan detektor diputar, intensitas sinar-X direkam seperti yang terlihat pada Gambar 9.



Gambar 9. Proses Analisa Difraksi Sinar-X (Nelson, 2010) Detektor akan merekam dan memproses isyarat penyinaran ini dan mengkonversi isyarat itu menjadi suatu arus yang akan dikeluarkan pada printer atau layar komputer. Sinar-sinar diubah menjadi hasil dalam bentuk gelombang-gelombang. Intensitas sinar-X dari scan sampel diplotkan dengan sudut 2θ. Tiap puncak yang muncul pada pola difraktogram mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi. Puncak-puncak yang didapatkan dari data pengukuran ini kemudian dicocokkan dengan standar difraksi sinar-X untuk semua jenis material (Nelson, 2010). Contoh data yang dihasilkan oleh X-Ray Diffractometer dapat dilihat pada Gambar 10.



16



Gambar 10. Data yang dihasilkan oleh X-Ray Diffractometer (Nelson, 2010).      D. Manfaat X-Ray Diffractometer X-Ray Diffractometer memiliki beberapa manfaat yaitu (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; (6) menentukan struktur kristal dengan menggunakan Rietveld refinement; (7) analisis kuantitatif dari mineral dan (8) karakteristik sampel film.



Selain untuk menunjukkan tingkat kristalitas suatu padatan, X-ray diffractometer juga dapat digunakan untuk mengetahui diameter kristal. Ukuran kristal yang mungkin diukur adalah 3-50 nm. Ukuran kristal yang



17



diperoleh merupakan diameter rata-rata volum berat. Ukuran kristal dapat dihitung dengan persamaan Scherrer berikut ini;



dimana K=1.000, b adalah lebar peak yang telah dikoreksi oleh faktor pelebaran alat instrumen, λ adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan, Dv adalah ukuran kristal dan θ adalah sudut antara sinar datang dengan bidang normal. E. Kelebihan dan Kekurangan X-Ray Diffraction(XRD) Kelebihan penggunaan sinar-X dalam karakterisasi material adalah kemampuan penetrasinya, sebab sinar-X memiliki energi sangat tinggi akibat panjang gelombangnya yang pendek. Sedangkan kekurangannya adalah untuk objek berupa kristal tunggal sangat sulit mendapatkan senyawa dalam bentuk kristalnya. Sedangkan untuk objek berupa bubuk (powder) sulit untuk menentukan strukturnya.



F. Contoh Pola Difraksi pada suatu Bahan Karakterisasi lapisan tipis FeAg menggunakan metode difraksi sinar - X (XR-D) memperlihatkan pola difraksi struktur kristalnya yang memuat harga intensitas (cacahan perdetik) dengan sudut difraksi 2Ө (dalam derajat). penelitian mengenai pengaruh substrat Cu dan Indium Tin Oxide (ITO) oleh Jannah, Fatkul, E pada pertumbuhan kristal dengan judul “ Karakterisasi Lapisan Tipis Alloy Nife Hasil Elektrodeposisi Pada Substrat Cu dan ITO” Sedangkan pada substrat ITO lapisan tipis NiFe yang terbentuk mempunyai bidang hkl (111) dan (200). “ Karakterisasi Lapisan Tipis Alloy Nife Hasil Elektrodeposisi Pada Substrat Cu dan ITO”. Penumbuhan lapisan tipis NiFe dilakukan dengan menggunakan metode elektrodeposisi. Analisis struktur.



18



BAB III PENUTUP A. KESIMPULAN 1. X-Ray Diffraction (XRD) merupakan teknik yang digunakan untuk



mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter struktur kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel. 2. X-Ray Diffractometer merupakan instrumen yang digunakan untuk



mengidentifikasi



material



kristalit



maupun



non-kristalit.



X-Ray



Diffractometer terdiri dari tiga bagian utama, yaitu tabung sinar-X (sumber monokromatis), tempat obyek yang diteliti (chamber), dan detektor sinarX. 3. Prinsip kerja X-Ray Diffractometer yaitu :



a. Sinar-X dihasilkan di suatu tabung sinar katode dengan pemanasan kawat pijar untuk menghasilkan elektron-elektron. b. Elektron-elektron tersebut dipercepat terhadap suatu target dengan memberikan suatu voltase, dan menembak target dengan elektron. c. Ketika elektron-elektron mempunyai energi yang cukup untuk mengeluarkan elektron-elektron dalam target, karakteristik spektrum sinar-X dihasilkan. d. Panjang gelombang yang spesifik merupakan karakteristik dari bahan target disaring oleh kertas perak atau kristal monochrometers, yang akan menghasilkan sinar-X monokromatik yang diperlukan untuk difraksi. e. Sinar-X ini bersifat collimated dan mengarahkan ke sampel. Saat sampel dan detektor diputar, intensitas Sinar-X pantul itu direkam.



19



f. Ketika geometri dari peristiwa sinar-X tersebut memenuhi persamaan Bragg, interferensi konstruktif terjadi dan suatu puncak di dalam intensitas terjadi. g. Detektor akan merekam dan memproses isyarat penyinaran ini dan mengkonversi isyarat itu menjadi suatu arus yang akan dikeluarkan pada printer atau layar komputer. 4. Manfaat XRD : a. Membedakan antara material yang bersifat kristal dengan amorf b. Mengukur macam-macam keacakan dan penyimpangan kristal. c. Karakterisasi material Kristal d. Identifikasi mineral-mineral yang berbutir halus seperti tanah liat Penentuan dimensi-dimensi sel satuan e. Penentuan dimensi-dimensi sel satuan. f. Dengan teknik-teknik yang khusus, XRD dapat digunakan untuk: a. Menentukan struktur kristal dengan menggunakan Rietveld refinement b. Analisis kuantitatif dari mineral c. Karakteristik sampel film g. Untuk mengukur diameter kristal 5. Kelebihan



penggunaan



sinar-X



dalam



karakterisasi



material



adalah



kemampuan penetrasinya. Sedangkan kekurangannya adalah untuk objek berupa kristal tunggal sangat sulit mendapatkan senyawa dalam bentuk kristalnya dan objek berupa bubuk (powder) sulit untuk menentukan strukturnya.



20



DAFTAR PUSTAKA Cullity. (2001). Elements Of X-Ray Diffraction. Canada: Addison-Wesley Publishing Company Inc. Edi Istiyono. (2000). Fisika Zat Padat 1. Yogyakarta: FMIPA Universitas Negeri Yogyakarta. http://rolanrusli.com/wp-content/uploads/2011/04/Difraksi-Sinar3.jpg http://pubs.usgs.gov/of/2001/of01-041/htmldocs/images/XRDtube.jpg diakses 5 Mei 2015. http://up.persian-expert.com/ diakses 30 April 2015. Nelson, Stephen A. 2010. X-ray Crystallography. Tulane University. Smallman,R.E, Bishop, R.J. 1999. Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering. London : Butterworth-Heinemann. Smallman, R.E. 2000. Metalurgi Fisik Modern & Rekayasa Material. Jakarta: Erlangga. Vlack, Lawrence H. Van. 2004. Elemen-Elemen Ilmu dan Rekayasa Material. Jakarta: Erlangga.



21



LAMPIRAN SOAL DAN PEMBAHASAN 1. Sebuah bubuk dari bahan material, mengkristal dalam struktur BCC (a = 10 x 10-10 m), Lalu terkena radiasi yang dipancarkan dari tabung X-ray dioperasikan pada tegangan (V). Berapakah nilai V sehingga tidak akan ada panjang gelombang yang dipancarkan oleh tabung X-ray dan dapat menyebabkan difraksi? Penyelesaian : Dik : a = 10 x 10-10 m = 1 nm d(hkl) =



d(hkl) =



a



√ h2+ k 2 +l3



, untuk BCC maka h,k,l = 1,1,0 sehingga



1 2



√1 +12 +03



d(hkl) =



1 √2



d(hkl) =



1 √2 2



d (hkl)=7 x 10−1nm agar λ tidak ada dipancarkan maka potensial sudutnya dibuat 90° sesuai persamaan λ = 2d sin Ɵ, maka : λ = 2.7x10-1 sin 90°, λ = 14x10-1nm λ = 14x10-10m hc λ hc V= eλ (6,63 x 10−34 Js.3 x 108 m/s) V= 1,602 ×10−19 c .14 x 10−10 m 19.89 x 10−26 V= 22.68 x 10−29 V= 0.87 x 103volt V= 870 volt eV =



22



2. Untuk logam kubik tidak diketahui sudut difraksi, Ɵ, diperoleh dengan radiasi CuKα (N = 1,541 Å) adalah: 20,1 °, 29,2 °, 36,6 °, 43,5 °, 50,2 °, 57,4 °, 65,5 °. (A) Tentukan kisi konstan "a" untuk logam ini. Penyelesaian : 2θ 40.2 58.4 73.2 87 100.4 114.7 131 13



Θ



SinΘ



Sin2 Θ



20.1 29.2 36.6 43.5 50.2 57.4 65.5



0.34202 0.48481 0.594823 0.687088 0.768284 0.841982 0.9099612



0.116978 0.23504 0.353814 0.472089 0.59026 0.708934 0.754709



Gunakan Hukum Bragg



23



Bandingka n 1 2.008 3.026 4.03 5.04 6.060 6.4517



Bulatkan 2 4.02 6.05 8.14 10.09 12.12



hkl



2 4 6 8 10 12 12.9034



Terlihat bahwa kisi a konstan. (B) Tentukan jari-jari atom logam ini Penyelesaian : a 1+ a 2+ a 3 3 (3.178+ 3.176+3.175 ) x 10−10 ´a = 3 a´ =3.176 x 1010 a´ =



4 r=a √ 3 4 r=3.176 x 10 10 √ 3 4 r=5.5 x 10 10 5.5 x 1010 r= 4 r =1.375 x 10−10m = 1,375x10-1nm



24



3. Dengan menggunakan radiasi Kα vanadium (V) pada eksperimen difraksi untuk material kubik yang tidak diketahui (BCC), puncak difraksi pertama yang diselidiki pada 2θ = 83.5o. Berapakah konstanta kisi (a) pada material ini ? Dik : 2θ = 83.5o Dit : a ? Jawab : Untuk Vanadium 3 ´v K α = R ¿ 4 dan λ K α =2.51×10−10 m λ=2 d sin θ d=



λ 2 sin θ



d=



2.51 ×10−10 2 ( sin 41.75 )



d=1.885× 10−10 m d= −10



1.885 ×10



m=



1.885 ×10−10 m=



a 2



√ h +k 2+l2 a 2



√1 +12 +02 a √2



a=1.885 ×10−10 ( √ 2 ) a=2,66 ×10−10 m



25



4. Eksperimen difraksi pada Ag dibuat pada suhu 300K dan pada 1073K dengan radiasi MoKα (λ = 0.709 Å). Ditemukan sudut difraksi θ(111) pada 1073K adalah 0.11o lebih kecil dari sudut yang dihasilkan pada suhu 300K. Tentukanlah volume molar Ag pada 800℃. (Anda dapat menggunakan informasi pada table periodik). Jawab : −6



Molar Volume=10.3 ×10 =



√



a= 3



NA 3 a 4



4 ×10.3 ×10−6 =4.09 ×10−10 m 23 6.023 ×10



d (111) =



4.09× 10−10 =2.361 ×10−10 √3



λ=d (111) sinθ θ(111)=sin



−1



0.709× 10−10 =8.64 ° 2×: 2.361×10−10



Pada 8000oC (1073K) θ(111)=8.64−0.11=8.53 d (111) =



λ a =2.34 × 10−10 m= 2 sin 8.53 √3 a=√ 3× 2.39 ×10−10 m=4.14 ×10−10



Molar Volume=



NA 3 −6 3 a =10.7 ×10 m /mole 4



26



5. Gambarkanlah skematik set-up untuk eksperimen difraktometer sinar-x pada besi dengan menggunakan radiasi NiKα. (Lengkapi dengan informasi sebanyak mungkin yang dibutuhkan untuk menghasilkan radiasi Kα monokromatik yang cocok untuk bahan difraksi). Jawab : Pengaturan difraksi dibutuhkan dengan spesifikasi kondisi untuk hasil λKα. Anda harus memilih material yang dipakai sebagai monokrometer pertama tentukanlah



λKα



(untuk target Ni) kemudian tentukanlah material



monokrometer itu. Anda dapat menggunakan Ni atau lebih kepemakainannya anda hanya perlu menentukan berat atom untuk tungsten dan anda mendapat konstanta kisinya



3 ¿ K λ v K λ=27 2 × 1.097× 107 × m−1 4 ¿ 6.0 ×109 m−1 λ K λ =1.67 ×10−10 m Untuk mengisolasi K λdari difraksi radiasi Ni λ=1.67 ×10−10 m 27



λ K λ =2 d sin θ=2



a sin θ √2



√ 2 λ K λ √2 ×1.67 ×10−10 sin θ= = =0.374 2a



2 ×3.16 × 10−10



θ=21.9°



28