Tugas i Fisika Material

NAMA : ASHARI BAYU PRASADAN I M : S911408003PRODI : S-2 ILMU FISIKA

TUGAS I FISIKA MATERIAL 1. Jelaskan Pengertian XRD..?

A. PengertianDifraksi sinar-X (X-ray Difractometer) atau yang sering dikenal dengan XRD adalah instrumen yang digunakan untuk mengidentifikasi material kristalit maupun non-kristalit, sebagai contoh identifikasi struktur kristalit (kualitatif) dan fasa (kuantitatif) dalam suatu bahan dengan memanfaatkan radiasi gelombang elektomagnetik sinar-X. Dengan kata lain, teknik ini digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter struktur kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel. 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 10-10 s/d 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 ditemukan pertama kali oleh Wilhelm Conrad Rontgen pada tahun 1895, di Universitas Wurtzburg, Jerman. Karena asalnya tidak diketahui waktu itu, maka disebut sinar-X. Untuk penemuan ini Rontgen mendapat hadiah nobel pada tahun 1901, yang merupakan hadiah nobel pertama di bidang fisika. Sejak ditemukannya, sinar-X telah umum digunakan untuk tujuan pemeriksaan namun 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.B. Prinsip kerja Di dalam XRD terdapat beberapa komponen yaitu : 1. Slit dan Film, 2. Monokromator, 3. Tabung X-ray, 4. Detektor, dll. Prinsip dasar XRD adalah mendifraksi cahaya yang melalui celah kristal. Difraksi cahaya oleh kisi-kisi atau kristal ini dapat terjadi apabila difraksi tersebut berasal dari radius yang memiliki panjang gelombang yang setara dengan jarak antar atom, yaitu sekitar 1 Angstrom. Radiasi yang digunakan berupa radiasi sinar-X, elektron, dan neutron. Sinar-X merupakan foton dengan energi tinggi yang memiliki panjang gelombang berkisar antara 0.5 sampai 2.5 Angstrom. Ketika berkas sinar-X berinteraksi dengan suatu material, maka sebagian berkas akan diabsorbsi, ditransmisikan, dan sebagian lagi dihamburkan terdifraksi. Hamburan terdifraksi inilah yang dideteksi oleh XRD. 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 merumuskan tentang persyaratan yang harus dipenuhi agar berkas sinar-X yang dihamburkan tersebut merupakan berkas difraksi. Ilustrasi difraksi sinar-X pada XRD dapat dilihat pada Gambar 1 dan Gambar 2. Gambar 1 : Ilustrasi difraksi sinar-X pada XRD Gambar 2 : Ilustrasi difraksi sinar-X pada XRD Dari Gambar 2 dapat dideskripsikan sebagai berikut. Sinar datang yang menumbuk pada titik pada bidang pertama dan dihamburkan oleh atom P. Sinar datang yang kedua menumbuk bidang berikutnya dan dihamburkan oleh atom Q, sinar ini menempuh jarak SQ + QT bila dua sinar tersebut paralel dan satu fasa (saling menguatkan). Jarak tempuh ini merupakan kelipatan (n = 1,2,.) panjang gelombang (), sehingga persamaan menjadi : Persamaan diatas dikenal juga sebagai Braggs law, dimana, berdasarkan persamaan di atas, maka kita dapat mengetahui panjang gelombang sinar-X () dan sudut datang pada bidang kisi (), maka dengan ini kita akan dapat mengestimasi jarak antara dua bidang planar kristal (d001).2. Bagaimana cara mengetahui struktur kristal dari informasi XRD..?

Difraksi sinar-X merupakan suatu teknik yang digunakan untuk menentukan sistem kristal (kubus, tetragonal, ortorombik, rombohedral, heksagonal, monoklin, triklin), kualitas kristal (kristal tunggal, polikristalin, dan amorf), simetri kristal, menentukan cacat kristal, mencari parameter kristal (parameter kisi, jarak antar atom, jumlah atom per unit sel), identifikasi campuran dan analisis kimia. Difraksi tergantung pada struktur kristal dan panjang gelombangnya. Jika panjang gelombangnya mendekati atau lebih kecil dari ukuran atom atau kristal maka akan terjadi peristiwa difraksi.Teknik difraksi memanfaatkan radiasi yang terpantul dari berbagai sumber seperti atom dan kelompok atom dalam kristal. Ada beberapa macam difraksi yang dipakai dalam studi material yaitu: difraksi sinar-X, difraksi neutron dan difraksi elektron. Namun yang sekarang umum dipakai adalah difraksi sinar X dan elektron. Metode yang sering digunakan untuk menganalisa struktur kristal adalah metode Scherrer. Ukuran kristallin ditentukan berdasarkan pelebaran puncak difraksi sinar-X yang muncul. Metode ini sebenarnya memprediksi ukuran kristallin dalam material, bukan ukuran partikel. Jika satu partikel mengandung sejumlah kritallites yang kecil-kecil maka informasi yang diberikan metode Schrerrer adalah ukuran kristallin tersebut, bukan ukuran partikel. Untuk partikel berukuran nanometer, biasanya satu partikel hanya mengandung satu kristallites. Dengan demikian, ukuran kristallinitas yang diprediksi dengan metode Schreer juga merupakan ukuran partikel. Berdasarkan metode ini, makin kecil ukuran kristallites maka makin lebar puncak difraksi yang dihasilkan, seperti diilustrasikan pada Gambar 3. Kristal yang berukuran besar dengan satu orientasi menghasilkan puncak difraksi yang mendekati sebuah garis vertikal. Kristallites yang sangat kecil menghasilkan puncak difraksi yang sangat lebar. Lebar puncak difraksi tersebut memberikan informasi tentang ukuran kristallites. Hubungan antara ukuran ksirtallites dengan lebar puncal difraksi sinar-X dapat diproksimasi dengan persamaan Schrerrer. Gambar 3 : Puncak XRD Gambar. 3 mengindikasikan bahwa makin lebar puncak difraksi sinar-X maka semakin kecil ukuran kristallites. Ukuran kristallites yang menghasilkan pola difraksi pada gambar bawah lebih kecil daripada ukuran kristallites yang menghasilkan pola difraksi atas.Puncak difraksi dihasilkan oleh interferensi secara kontrukstif cahaya yang dipantulkan oleh bidang-bidang kristal.Hubungan antara ukuran ksirtallites dengan lebar puncal difraksi sinar-X dapat diproksimasi dengan persamaan Schrerrer.Persamaan Schrerrer. D = Dimana : Crystallite size (satuan: nm) dinotasikan dengan symbol (D) FWHM (Line broadening at half the maximum intensity), Nilai yang dipakai adalah nilai FWHM setelah dikurangi oleh the instrumental line broadening (satuan: radian) dinotasikan dengan symbol (B) Braggs Angle dinotasikan dengan symbol () X-Ray wave length dinotasikan dengan symbol () KAdalah nilai konstanta Shape Factor (0.8-1) dinotasikan dengan symbol (K)Perlu diingat disini adalah, untuk memperoleh hasil estimasi ukuran kristal dengan lebih akurat, maka nilai FWHM harus dikoreksi oleh "Instrumental Line Broadening" berdasarkan persamaan berikut:

Dimana :FWHMsample adalah lebar puncak difraksi puncak pada setengah maksimum dari sampel benda uji dan FWHMstandard adalah lebar puncak difraksi material standard yang sangat besar puncaknya berada di sekitar lokasi puncak sampel yang akan kita hitung.Bila sampel dianalisis dengan menggunakan XRD, maka setelah data hasil uji sampel diperoleh, data hasil analisa yang dperoleh tersimpan dalam format RAW data, yang kemudian data tersebut dianalisa menggunakan software EVA.

Contoh 1. Hasil Pengujian dengan XRD untuk serbuk WO3 dengan fasa Tungsten trioxide

Analisa dengan Software Match Pembahasan1. XRD yang digunakan diffractometer system XPERT-PRO dengan posisi awal (Th) sebesar 9.9994, dengan step size (Th) sebesar 0.0170 dan berakhir pada (Th) sebesar 89.98442. Analisa hasil uji XRD menggunakan software Match! Untuk mengetahui fasa yang terkandung, sistem kristal serta ukuran Kristal dalam sampel uji. Dari hasil uji XRD didapatkan 21 peak. Untuk menganalisa cukup memasukkan 3 data dari letak dan intensitas puncak tertinggi, sehingga dengan fitting dalam software Match! Didapatkan hasil bahwa sampel uji berupa WO3 dengan fasa Tungsten trioxide dengan sistem kristal Triclinic (anorthic). Ukuran sel parameter dari kristal sebesar a= 7.2800 b= 7.4800 , c= 3.8200 . Densitas dari Kristal sebesar 7.40300 g/cm3.3. Tungsten (VI) oksida, juga dikenal sebagai tungsten trioksida atau anhidrida tungstic, WO3 adalah senyawa kimia yang mengandung oksigen dan logam transisi tungsten. Senyawa ini diperoleh sebagai hasil sampingan dalam pemurnian Tungsten dari mineralnya. (1) bijih Tungsten direaksikan dengan alkali untuk menghasilkan WO3. Reaksi selanjutnya dengan karbon atau gas hydrogen untuk mereduksi tungsten trioksida menjadi logam murni.2 WO3 + 3C + heat 2W + 3 CO2WO3 + 3 H2 + heat W + 3 H2O

4. Tungsten (VI) oksida terjadi secara alami dalam bentuk hidrat yang meliputi mineral: tungstite WO3. H2O, meymacite WO3 . 2H2O dan hydrotungstite (komposisi yang sama dengan meymacite, namun kadang-kadang ditulis sebagai H2WO4). Gambar 4.4. Sistem Kristal Triclinic (anorthic)Perhitungan untuk ukuran Kristal dapat dilihat dari puncak tertinggi, yaitu menggunakan ketika (Th) sebesar 23,78 dan menggunakan persamaan Schrerrer, dengan mengolah data FWHM dan sudut 2. Besar ukuran Kristal pada peak tertinggi adalah 2,83 Contoh 2. Hasil Pengujian dengan XRD Lapisan Tipis PZT Metodologi PenelitianKarakterisasi struktur kristal lapisan tipis PZT diobservasi dengan XRD pada sudut 2 = 15o 800, dengan sumber sinar X dari logam tembaga (Cu) dengan panjang gelombang () K1 sebesar 0,15406 nm. Hasil XRD diperoleh difraktogram yang hasilnya dibandingkan dengan difraktogram PZT standar dari JCPDS no. 33-784 untuk PZT. Perhitungan ukuran kristal dihitung dengan menggunakan persamaan (1.3) dengan nilai panjang gelombang, intensitas, 2, dan FWHM yang dihasilkan dari uji XRD. Pembahasan 1. Gambar 1 menunjukkan difraktogram lapisan tipis PZT. Puncak-puncak yang muncul semua teridentifikasi dan terdapat kesesuaian dengan data standar dari JCPDS No. 33-784 yang mengindikasikan bahwa struktur perovskit dari PZT dengan orientasi bidang kristal (001), (110), (111), (200), (201) & (210), (211), (002), dan (310) yang spesifik untuk struktur kristal perovskit PZT. Munculnya sebaran orientasi bidang kristal menunjukkan bahwa serbuk PZT yang dihasilkan memiliki struktur polikristalin.2. Ukuran kristal dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Schrerrer dengan nilai panjang gelombang, intensitas, 2, dan FWHM yang telah dihasilkan dari uji XRD. Persamaan modifikasi Debye Schrerrer pada tabel 1 dibuat grafik hubungan ln (1/cos ) sebagai sumbu x dan ln sebagai sumbu y sehingga diperoleh nilai intersep yang nilainya sama dengan ln (K/D) seperti ditunjukkan pada Gambar 2, dan nilai ukuran kristal (D) didapatkan hubungan D = (K /e(nilai intersep)). Dari grafik diperoleh nilai intersep sebesar -5,088 dan nilai K = 0,89 serta = 0,15406 nm.

Gambar 2. Grafik hubungan ln (1/cos ) versus ln 3. Dari hubungan nilai intersep, nilai K dan maka dapat dihitung ukuran Kristal. Ukuran Kristal (D) = = = = 22,22 nm4. Hasil perhitungan ukuran kristal lapisan tipis PZT menghasilkan ukuran kristal sebesar 22,22 nm. Persamaan Debye Schrerrer menunjukkan bahwa nilai ukuran kristal yang dihasilkan akan berbanding terbalik dengan nilai FWHM, sedangkan nilai FWHM dipengaruhi oleh intensitas masing-masing bidang kristal, dimana semakin tinggi intensitas maka nilai FWHM semakin kecil

Referensi :1. Cullity, B.D. dan Stock, S.R, 2001. Element of X-Ray Diffraction. Third Edition, New Jersey : Prentice Hall. 2. Monshi, Ahmad., Mohammad, R. F., Mohammad, R. M., 2012. Modified Scherrer Eqquation to Estimate More Accurately Nano-Crystallite Size Using XRD. World Journal of Nano Science and Engineering, Vol. 2, pp. 154-160.3. Callister,Jr, W.D., Rethwisch, D.G,. Materials Science and Engineering An Introduction 8Th, John Wiley & Sons, Inc. 2009.4. J.I. Langford and A.J.C. Wilson, Scherrer after Sixty Years: A Survey and Some New Results in the Determination of Crystallite Size, J. Appl. Cryst. 11 (1978) pp 102-113.5. Sartono, A.A., 2006. Difraksi sinarX (XRD). Tugas Akhir Mata kuliah proyek Laboratorium. Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia. http://www.doitpoms.ac.uk /tlplib/xraydiffraction/ single crvstal.php. Download 12 Maret 2008.