Materi XRD Kimia

KRISTAL DAN AMORFKRISTAL DAN AMORF

• KRISTAL

– Memiliki bentuk dan formasi geometri tertentu

– Atom atau molekul tersusun secara teratur

– Memiliki titik lebur tertentu dengan area yang sempit– Memiliki titik lebur tertentu dengan area yang sempit

– Anisotrop(memiliki sifat hanya pada arah tertentu saja, misal: sifat

listrik, dan mekanik )

Contoh: NaCl, grafit, dan TiO2.

• AMORF

– Tidak memiliki bentuk dan geometri tertentu

– Atom atau molekul tersusun secara acak

– Memiliki titik lebur dengan area yang luas

– Isotrop (memiliki sifat yang sama ke segala arah)

Contoh : gelas, plastik, dan karet.

MONOKRISTAL DAN POLIKRISTALMONOKRISTAL DAN POLIKRISTAL

• MONOKRISTAL (KRISTAL TUNGGAL)

Suatu material yang hanya terdiri satu bentuk geometri

atau struktur kristal saja.atau struktur kristal saja.

• POLIKRISTAL

Suatu material yang memiliki 2 atau lebih bentuk geometri

atau struktur kristal.

PERBEDAAN FASA PADA KRISTALPERBEDAAN FASA PADA KRISTAL

KLASIFIKASI 7 SISTEM KRISTALKLASIFIKASI 7 SISTEM KRISTAL

Sistem kristal yang ada diklasifikasikan dalam 7 (tujuh)

sistem sebagai berikut:

KARAKTERISTIK SISTEM KRISTAL DAN KISI BRAVAISKARAKTERISTIK SISTEM KRISTAL DAN KISI BRAVAIS

SISTEM KISI UNIT SEL

Triklinik Simple a ≠ b ≠ c ; α ≠ β ≠ γ ≠ 90

MonoklinikSimple

Base-centereda ≠ b ≠ c ; α = γ = 90 ≠ βMonoklinik

Base-centereda ≠ b ≠ c ; α = γ = 90 ≠ β

Orthorhombik

Simple

Base-centered

Body-centered

Face-centered

a ≠ b ≠ c ; α = β = γ = 90

TetragonalSimple

Body-centereda = b ≠ c ; α = β = γ = 90

Simple

Kubus

Simple

Body-centered

Face-centered

a = b = c ; α = β = γ = 90

Trigonal

(Rhombohedral)Simple a = b = c ; α = β = γ ≠ 90

Heksagonal Simple a = b ≠ c ; α = β = 90, γ = 120

GAMBAR 14 KISI BRAVAISGAMBAR 14 KISI BRAVAIS

INDEKS MILLERINDEKS MILLER

Orientasi bidang

pada kisi kristal

biasanya dinyatakan

oleh indeks Milleroleh indeks Miller

dengan notasi hkl.

a

b

c

JARAK BIDANG DAN VOLUME UNIT SELJARAK BIDANG DAN VOLUME UNIT SEL

Triklinik

dimana:

Monoklinik

JARAK BIDANG DAN VOLUME UNIT SELJARAK BIDANG DAN VOLUME UNIT SEL

Orthorhombik

Tetragonal

KubikKubik

JARAK BIDANG DAN VOLUME UNIT SELJARAK BIDANG DAN VOLUME UNIT SEL

Trigonal (Rhombohedral)

Heksagonal

KAIDAHKAIDAH SELEKSI PADA STRUKTUR KRISTALSELEKSI PADA STRUKTUR KRISTAL

Kisi Kisi Bravais Kehadiran Refleksi Ketidak-hadiran Refleksi

Simple Primitif Semua h, k, l Tidak ada

Body

Centered

Body

Centered

h+k+l genap h+k+l ganjil

Face

Centered

Face

Centered

h, k, dan l tidak campur h, k, dan l campur

NaCl FCC h, k, dan l tidak campur h, k, dan l campur

Zinc

Blande

FCC h, k, dan l tidak campur h, k, dan l campur

Diamond FCC Seperti FCC, namun jika

h+k+l≠4N maka tidak ada

h, k, dan l campur; jika

semua genap; dan

h+k+l≠4Nh+k+l≠4N

Base

Centered

Base

Centered

Kedua h dan k sama-sama

genap atau ganjil

h dan k campur

Hexagonal

Close-

Packed

(HCP)

Hexagonal h+2k=3N dengan l genap;

h+2k=3N±1 dengan l genap

dan ganjil

h+2k=3N dengan l ganjil

INSTRUMEN XRDINSTRUMEN XRD

X-Ray Diffractometer (XRD) merupakan

instrumen analisis untuk mengamati

struktur material kristal, diantaranya:

• Penentuan struktur kristal• Penentuan struktur kristal

• Susunan dan jarak antar atom

• Orientasi bidang kristal

• Menentukan ukuran kristal

• Mendeteksi cacat pada kristal

SHIMADZU X-RAY DIFFRACTOMETER (XRD) 7000

KOMPONEN INSTRUMEN XRDKOMPONEN INSTRUMEN XRD

SS dan filter NiGoniometer

DS

Tabung sinar-X

DetektorHolder dan sampel

RS

SINARSINAR--XX

• Sinar-x dihasilkan oleh tumbukan antara elektron yang

dipercepat dengan suatu logam target di dalam suatu

tabung sinax-x

– Elektron dihasilkan oleh kawat filamen yang dipanaskan karena– Elektron dihasilkan oleh kawat filamen yang dipanaskan karena

diberi arus listrik.

– Tegangan pemercepat digunakan untuk meningkatkan energi

kinetik elektron agar dapat menumbuk elektron pada kulit yang

paling dalam dari suatu target.

• Dalam produksi sinar-x, sekitar 99% energi kinetik yang

bertumbukan dengan target berubah menjadi panas danbertumbukan dengan target berubah menjadi panas dan

kurang dari 1% yang dapat menghasilkan sinar-x.

SINARSINAR--XX

Sinar-x merupakan salah satu gelombang

elektromagnetik yang memiliki panjang

gelombang antara 0,01- 100Å

TABUNG SINAR-X

ANODA : Cu

MAX POWER : 2700 kW

PROSES PRODUKSI SINARPROSES PRODUKSI SINAR--XX

PANJANG GELOMBANG SINARPANJANG GELOMBANG SINAR--XX

• Sinar-x karakteristik bersifat diskrit, dihasilkan karena

transisi elektron pada atom target dari kulit luar ke dalam

sebagai akibat eksitasi oleh elektron yang dipercepat.

• Sinar-x Bremsstrahlung bersifat kontinu, dihasilkan karena• Sinar-x Bremsstrahlung bersifat kontinu, dihasilkan karena

perlambatan elektron yang menumbuk target.

TINGKAT ENERGI SINARTINGKAT ENERGI SINAR--XX

Pada diagram di samping

dapat dilihat indeks

untuk level energi sinar-x

yang dihasilkan pada

proses produksi sinar-x.proses produksi sinar-x.

Semua radiasi sinar-x

akibat transisi menuju

kulit K diberi label K,

sedangkan yang menuju

kulit ke L diberi label L,

dan seterusnya.

KARAKTERISTIK SINARKARAKTERISTIK SINAR--X PADA BEBERAPA ANODE X PADA BEBERAPA ANODE

Sumber: Vitalij K. Pecharsky and Peter Y. Zavalij (2009)Sumber: Vitalij K. Pecharsky and Peter Y. Zavalij (2009)

PRINSIP DIFRAKSI SINARPRINSIP DIFRAKSI SINAR--XX

Difraksi sinar-x mengikuti rumusan yang dikemukakan oleh

W.H. Bragg and W.L. Bragg atau dikenal dengan hukum Bragg:

Hukum Bragg : nλ = 2dhkl sin θ

PREPARASI SAMPELPREPARASI SAMPEL

• Untuk sampel berbentuk serbuk (powder) preparasidilakukan dengan cara memasukan sampel pada tempatsampel, kemudian seluruh permukaannya diratakan.

Kelebihan sampel

Kelebihan sampelKaca atau plat dengan permukaan rata

• Untuk sampel berbentuk plat, sampel dapat langsungdipasang pada holder dengan memilih bagian permukaanyang paling rata berada di atas.

PARAMETER PENGUJIAN DIFRAKSI SINARPARAMETER PENGUJIAN DIFRAKSI SINAR--XX

Parameter sesuai

dengan kisi yang

terpasang di alat

Parameter diatur

sesuai dengan

metode pengujian

yang diharapkan

Parameter diatur

sesuai spesifikasi

tabung sinar-x

Scan Mode:

- Continuous scan

- Fixed time

Scan Axis:

- Theta

- 2Theta- 2Theta

- 2Theta/Tetha

DIFRAKTOGRAM HASIL DIFRAKSI SINARDIFRAKTOGRAM HASIL DIFRAKSI SINAR--XX

TAHAPAN PENGOLAHAN DATATAHAPAN PENGOLAHAN DATA

• PREPROSESSING

– Penghalusan difraktogram (Smooting)

– Pengurangan latar belakang (Background Substracting)

– Pemisahan Kα1 dan Kα2– Pemisahan Kα1 dan Kα2

– Ekstraksi puncak

• ANALISIS KUALITATIF

– Pencocokan Data

– Perhitungan parameter kisi

– Penentuan struktur kristal– Penentuan struktur kristal

– Pemberian indeks

– Perhitungan ukuran kristal

– Perhitungan derajat kristalinitas

TAHAP PREPROSESINGTAHAP PREPROSESING

Tahapan pengolahan data ini biasanya dilakukan dengan

menggunakan komputer. Berikut ini hasil preprosesing data:

Profil Data Mentah

Profil Smoothing Data

Profil Background Substraction

Profil Kα

Ekstraksi Puncak

ANALISIS KUALITATIFANALISIS KUALITATIF

Proses interpretasi dengan cara mencocokan data hasil

pengujian difraksi sinar-x dengan database standard.

Profil data mentah hasil

pengujianpengujian

Proses membandingkan

puncak hasil uji difraksi

sinar-x dengan puncak

pada database standard.

Atas : hasil pengujian

Bawah : standardBawah : standard

Profil puncak difraksi pada

database standard

STANDARD DATABASE ICDD UNTUK STANDARD DATABASE ICDD UNTUK ZnOZnO (36(36--1451)1451)

International Centre for Diffraction Data (ICDD)

ANALISIS KUALITATIF SECARA MANUALANALISIS KUALITATIF SECARA MANUAL

Berikut ini akan dibahas cara melakukan analisis kualitatif

data pengujian XRD secara manual, diantaranya:

• Penentuan struktur kristal dan jenis kisi• Penentuan struktur kristal dan jenis kisi

• Pemberian indeks pada setiap puncak data

• Perhitungan parameter kisi

Selain itu dapat pula dilakukan pendekatan untuk analisis

berikut: berikut:

• Penentuan ukuran kristal

• Penentuan derajat kristalinitas (%)

IDENTIFIKASI KISI BRAVAIS PADA KUBIKIDENTIFIKASI KISI BRAVAIS PADA KUBIK

Sistematik hadir dan tidak hadirnya refleksi tertentu dalam

suatu pola difraksi dapat digunakan untuk mengidentifikasi

jenis kisi Bravais. Berdasarkan aturan seleksi tersebut, maka

pada sistem kubik nilai h2+k2+l2 berlaku sebagai berikut:pada sistem kubik nilai h +k +l berlaku sebagai berikut:

• Primitif : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, …

• BCC : 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, …

• FCC : 3, 4, 8, 11, 12, 16, 19, 20, …

DIFRAKSI SINARDIFRAKSI SINAR--X PADA ALUMINIUMX PADA ALUMINIUM

80

90

100

30

40

50

60

70

I /I

0

0

10

20

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

2theta

INDEKS DIFRAKSI SINARINDEKS DIFRAKSI SINAR--X ALUMINIUM X ALUMINIUM -- 11

No. 2θθθθ Sin 2θθθθ (Sin 2θθθθ)_(Sin 2θθθθmin)

3.(Sin 2θθθθ)_ (Sin 2θθθθmin)

h2+k2+l2 hkl a (Å)

1 38,52 0,1088 1,000 3,000 3 111 4,0447

2 44,76 0,1450 1,332 3,996 4 200 4,0461

3 65,14 0,2898 2,663 7,989 8 220 4,0471

4 78,26 0,3983 3,660 10,980 11 311 4,0482

5 82,47 0,4345 3,993 11,979 12 222 4,0481

6 99,11 0,5792 5,323 15,969 16 400 4,0486

7 112,03 0,6875 6,319 18,957 19 331 4,0492

8 116,60 0,7239 6,653 19,959 20 420 4,0488

9 137,47 0,8685 7,982 23,946 24 422 4,0493

λ Kα1(Cu) = 1,54056Å

PERHITUNGAN PERHITUNGAN -- 11

Pada sistem kubik berlaku:

sehingga untuk data ke-2 diperoleh hasil:

Berdasarkan hasil pengolahan data difraksi diperolehBerdasarkan hasil pengolahan data difraksi diperoleh

informasi bahwa aluminium memiliki sistem kristal kubik

dengan jenis kisi Face Centered Cubic (FCC) dan parameter

kisi, a = 4,0461Å.

INDEKS DIFRAKSI SINARINDEKS DIFRAKSI SINAR--X ALUMINIUM X ALUMINIUM -- 22

No 2θθθθ Sin 2θθθθ Sin 2θθθθ2

Sin 2θθθθ3

Sin 2θθθθ4

Sin 2θθθθ5

Sin 2θθθθ6

Sin 2θθθθ7

Sin 2θθθθ8

1 38,52 0,1088 0,0544 0,0363 0,0272 0,0218 0,0181 0,0155 0,0136

2 44,76 0,1450 0,0725 0,0483 0,0363 0,0290 0,0242 0,0207 0,0181

3 65,14 0,2898 0,1449 0,0966 0,0725 0,0580 0,0483 0,0414 0,0362

4 78,26 0,3983 0,1992 0,1328 0,0996 0,0797 0,0664 0,0569 0,0498

5 82,47 0,4345 0,2173 0,1448 0,1086 0,0869 0,0724 0,0621 0,0543

6 99,11 0,5792 0,2896 0,1931 0,1448 0,1158 0,0965 0,0827 0,0724

7 112,03 0,6875 0,3438 0,2292 0,1719 0,1375 0,1146 0,0982 0,08597 112,03 0,6875 0,3438 0,2292 0,1719 0,1375 0,1146 0,0982 0,0859

8 116,60 0,7239 0,3620 0,2413 0,1810 0,1448 0,1207 0,1034 0,0905

9 137,47 0,8685 0,4343 0,2895 0,2171 0,1737 0,1448 0,1241 0,1086

A = 0,0363Åλ Kα1(Cu) = 1,54056Å

PERHITUNGAN PERHITUNGAN -- 22

Pada sistem kubik berlaku:

sehingga diperoleh:

STRUKTUR KRISTAL ALUMINIUMSTRUKTUR KRISTAL ALUMINIUM

a = 4,0461Å

UKURAN KRISTALUKURAN KRISTAL

Ukuran kristal dari suatu unit sel dapat ditentukan dengan

menggunakan persamaan Scherrer:

Dimana:

S : ukuran kristal

k : konstanta 0,7 – 1,7 tergantung bentuk kristal dan indeks Miller

β : Full Wide Half Maximum - FWHM (rad)β : Full Wide Half Maximum - FWHM (rad)

θ : sudut datang sinar-x

DERAJAT KRISTALINITASDERAJAT KRISTALINITAS

Data difraktogram hasil pengujian XRD dapat pula

digunakan untuk menghitung derajat kristalinitas (persen

kristalin) dari sampel yang diuji secara kasar.

Secara prinsip derajat kristalinitas dapat dihitung denganSecara prinsip derajat kristalinitas dapat dihitung dengan

persamaan berikut:

Dimana:

L : Luas area kristalLK : Luas area kristal

LA : Luas area amorf

REFERENSIREFERENSI

1. Vitalij K. Pecharsky and Peter Y. Zavalij, Fundamentals of Powder

Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition,

Springer Science+Business Media, LLC, New York, 2009.

2. C. Suryanarayana, M. Grant Norton, X-Rays and Diffraction: A Practical2. C. Suryanarayana, M. Grant Norton, X-Rays and Diffraction: A Practical

Approach. Springer Science+Business Media, LLC, New York, 1998.

3. B.D. Cullity and Stuart R. Stock, Elements of X-Ray Diffraction, 3rd

Edition, Prentice Hall , Upper Saddle River, NJ, 2001.