XRD (X-RAY DIFFRACTION)

Spektroskopi difraksi sinar-X (X-ray difraction/XRD) merupakan salah satu 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.

A. PRINSIP XRD

Prinsip dari alat XRD (X-ray powder diffraction) adalah sinar X yang dihasilkan dari suatu logam tertentu memiliki panjang gelombang tertentu, sehingga dengan memfariasi besar sudut pantulan sehingga terjadi pantulan elastis yang dapat dideteksi. Maka menurut Hukum Bragg jarak antar bidang atom dapat dihitung dengan data difraksi yang dihasilkan pada besar sudut – sudut tertentu. Prinsip ini di gambarkan dengan diagram dibawah ini.

Difraksi sinar-X terjadi pada hamburan elastis foton-foton sinar-X oleh atom dalam sebuah kisi periodik. Hamburan monokromatis sinar-X dalam fasa tersebut memberikan interferensi yang konstruktif. Dasar dari penggunaan difraksi sinar-X untuk mempelajari kisi kristal adalah berdasarkan persamaan Bragg :

n.λ = 2.d.sin θ ; n = 1,2,...

dengan 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 pembiasan.

Berdasarkan persamaan Bragg, jika seberkas sinar-X di jatuhkan pada sampel kristal, maka bidang kristal itu akan membiaskan sinar-X yang memiliki panjang gelombang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut. Sinar yang dibiaskan akan ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan sebagai sebuah puncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap puncak yang muncul pada pola XRD 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 hampir semua jenis material. Standar ini disebut JCPDS.

 

B. SUMBER SINAR

Tabung Sinar-X

Pada umumnya, sinar diciptakan dengan percepatan arus listrik, atau setara dengan transisi kuantum partikel dari satu energi state ke lainnya. Contoh : radio ( electron berosilasi di antenna) , lampu merkuri (transisi antara atom). Ketika sebuah elektron menabrak anoda :

a. Menabrak atom dengan kecepatan perlahan, dan menciptakan radiasi bremstrahlung atau panjang gelombang kontinyu

b. Secara langsung menabrak atom dan menyebabkan terjadinya transisi menghasilkan panjang gelombang garis

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. Panjang gelombang sinar X memiliki orde yang sama dengan jarak antar atom sehingga dapat digunakan sebagai sumber difraksi kristal.

Komponen XRD ada 2 macam yaitu:

1. Slit dan film

2. Monokromator

Sinar-X dihasilkan di suatu tabung sinar katode dengan pemanasan kawat pijar untuk menghasilkan elektron-elektron, kemudian electron-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. Ka 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 sinar-X monokromatik yang diperlukan untuk difraksi. Tembaga adalah bahan sasaran yang paling umum untuk diffraction kristal tunggal, dengan radiasi Cu Kα =05418Å. Sinar-X ini bersifat collimated dan mengarahkan ke sampel. Saat sampel dan detektor diputar, intensitas Sinar X pantul itu direkam. Ketika geometri dari peristiwa sinar-X tersebut memenuhi persamaan Bragg, interferens konstruktif terjadi dan suatu puncak di dalam intensitas terjadi. Detektor akan merekam dan memproses isyarat penyinaran ini dan mengkonversi isyarat itu menjadi suatu arus yang akan dikeluarkan pada printer atau layar komputer.

C. INSTRUMENTASI ALAT

 

Petunjuk Penggunaan, Penyiapan Sample

• Ambil sepersepuluh berat sample (murni lebih baik)
• Gerus sample dalam bentuk bubuk. Ukuran kurang dari ~10 μm atau 200-mesh lebih disukai
• Letakkan dalam sample holder
• Harus diperhatikan agar mendapatkan permukaan yang datar dan mendapatkan distribusi acak dari orientasi-orientasi kisi
• Untuk analisa dari tanah liat yang memerlukan single orientasi, teknik-teknik yang khusus untuk persiapan tanah liat telah diberikan oleh USGS

D. DATA YANG DIPROLEH

Hasil yang diperoleh dapi pengukuran dengan menggunakan instrument X-Ray Diffraction (XRD) adalah grafik dikfraktogram. Difraktogram adalah output yang merupakan grafik antara 2θ (diffraction angle) pada sumbu X versus intensitas pada sumbu Y.

Intensitas sinar-X yang didifraksikan secara terus-menerus direkam sebagai contoh dan detektor berputar melalui sudut mereka masing-masing. Sebuah puncak dalam intensitas terjadi ketika mineral berisi kisi-kisi dengan d-spacings sesuai dengan difraksi sinar-X pada nilai θ Meski masing-masing puncak terdiri dari dua pemantulan yang terpisah (Kα₁ dan Kα₂), pada nilai-nilai kecil dari 2θ lokasi-lokasi puncak tumpang-tindih dengan Kα₂ muncul sebagai suatu gundukan pada sisi Kα₁. Pemisahan lebih besar terjadi pada nilai-nilai θ yang lebih tinggi .

2θ merupakan sudut antara sinar dating dengan sinar pantul. Sedangkan intensitas merupakan jumlah banyaknya X-Ray yang didifraksikan oleh kisi-kisi kristal yang mungkin. Kisi kristal ini juga tergantung dari kristal itu sendiri.

Kisi-kisi ini dibentuk oleh atom-atom penyusun kristal. Jika tidak ada atom-atom yang menyusun suatu bidang kisi pada kristal, maka sinar X yang dating tidak dapat didifraksikan atau dengan kata lain tidak ada kisi tersebut.

E. INFORMASI YANG DIDAPAT 

Berdasarkan gambar bagan tersebut dapat dijelaskan bahwa pembangkit sinar-x menghasilkan radiasi ektromagnetik setelah dikendalikan oleh celah penyimpang (S₁) selanjutnya jatuh pada cuplikan/sampel. Sinar yang dihamburkan oleh cuplikan dipusatkan pada celah penerima (S₂) dan jatuh pada detektor yang sekaligus mengubahnya menjadi bentuk cahaya tampak (foton).

Informasi yang dapat diperoleh dari analisa dengan menggunakan XRD tersebut yaitu sebagai berikut:

1.      Pembangkit sinar-x menghasilkan radiasi elektromagnetik setelah dikendalikan oleh celah penyimpang (S)

2.      Posisi puncak difraksi memberikan gambaran tentang parameter kisi (a), jarak antar bidang (d_hkl), struktur kristal dan orientasi dari sel satuan (d_hkl) struktur kristal dan orientasi dari sel satuan.

3.      Intensitas relatif puncak difraksi memberikan gambaran tentang posisi atom dalam sel satuan.

4.      Bentuk puncak difraksi memberikan gambaran tentang ukuran kristal dan ketidaksempurnaan kisi. (d_hkl) dikelompokkan dalam beberapa grup, dengan intensitas relatif paling tinggi pertama disebut d₁, kedua d₂, ketiga d₃ dan seterusnya.

Dari pola difraksi padatan kristal yang teranalisa oleh XRD tersebut, kita juga akan mendapatkan beberapa informasi lain diantaranya :

1.      Panjang gelombang sinar X yang digunakan (λ)

2.      Orde pembiasan / kekuatan intensitas (n)

3.      Sudut antara sinar datang dengan bidang normal (θ)

Dengan persamaan Bragg, kita dapat memperoleh nilai jarak antara dua bidang kisi (d) berdasarkan sudut sinar datng bidang.

KEGUNAAN DAN APLIKASI

• Kegunaam dan aplikasi XRD:
• Membedakan antara material yang bersifat kristal dengan amorf
• Membedakan antara material yang bersifat kristal dengan amorf.
• Mengukur macam-macam keacakan dan penyimpangan kristal.
• Karakterisasi material kristal
• Identifikasi mineral-mineral yang berbutir halus seperti tanah liat
• Penentuan dimensi-dimensi sel satuan

Dengan teknik-teknik yang khusus, XRD dapat digunakan untuk:

1. Menentukan struktur kristal dengan menggunakan Rietveld refinement

2. Analisis kuantitatif dari mineral

3. Karakteristik sampel film

KEUNTUNGAN DAN KERUGIAN DARI XRD KRISTAL DAN BUBUK

1. Kristal Tunggal

- Keuntungan : Kita dapat mempelajari struktur kristal tersebut.

- Kerugian : Sangat sulit mendapatkan senyawa dalam bentuk kristalnya

2. Bubuk

- Kerugian : Sulit untuk menentukan strukturnya

- Keuntungan : Lebih mudah memperoleh senyawa dalam bentuk bubuk

Keuntungan utama penggunaan sinar-X dalam karakterisasi material adalah kemampuan penetrasinya, sebab sinar-X memiliki energi sangat tinggi akibat panjang gelombangnya yang pendek. Sinar-X adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 0,5-2,0 mikron. Sinar ini dihasilkan dari penembakan logam dengan elektron berenergi tinggi. Elektron itu mengalami perlambatan saat masuk ke dalam logam dan menyebabkan elektron pada kulit atom logam tersebut terpental membentuk kekosongan. Elektron dengan energi yang lebih tinggi masuk ke tempat kosong dengan memancarkan kelebihan energinya sebagai foton sinar-X.

X-ray difraksi Instrumen yang tepat dirancang untuk aplikasi dalam microstructure pengukuran, pengujian dan penelitian mendalam dalam penyelidikan.