BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.3 Karakterisasi Nanopartikel ZnO
Karakterisasi nanopartikel dilakukan untuk mengetahui sifat-sifat dan struktur dari materi yang terbentuk. Nanopartikel memiliki berbagai macam bentuk dan ukuran. Nanopartikel logam umumnya memiliki karakteristik yang unik, seperti spektrum absorbansinya yang spesifik untuk jenis nanopartikel logam tertentu. Asosiasi nanopartikel dengan molekul lain juga dapat dipelajari dengan menggunakan berbagai peralatan yang disesuaikan dengan tujuan sintesis nanopartikel. Peralatan yang bersifat mikroskopik digunakan untuk mengetahui
22 bentuk, sebaran, dan distribusi ukuran dari nanopartikel. Peralatan yang bersifat spektroskopi digunakan untuk mengetahui spektrum absorbansi dan interaksi dengan senyawa tertentu (Patakfalvi et al., 2004; Kumar dan Yadav, 2009).
Sebagai perbandingan, penelitian ini menggunakan ZnO (Sigma Aldrich) sebagai acuan dengan karakteristik : memiliki ~80% Zn basis, merupakan nanopowder dengan ukuran partikel <100 nm, dan memiliki surface area 15-25 m2/g (www.sigmaaldrich.com).
2.3.1 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)
Spektroskopi FTIR digunakan untuk mengidentifikasi gugus fungsi tertentu dalam molekul organik (Ohara et al., 2012). FTIR merupakan teknik pengukuran untuk mengumpulkan spektrum inframerah. Spektroskopi inframerah sangat berguna untuk analisis kualitatif (identifikasi) dari senyawa organik karena spektrum yang unik yang dihasilkan oleh setiap organik zat dengan puncak struktural yang sesuai dengan fitur yang berbeda. Selain itu, masing-masing kelompok fungsional menyerap sinar inframerah pada frekuensi yang unik (Silverstein, 2002).
Cara kerja FTIR Seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 9 yaitu, radiasi infra merah melewati interferometer yang memodulasi radiasi tersebut.
Interferometer melakukan sebuah Fourier invers transformasi optik pada radiasi inframerah yang masuk.
23 Gambar 8. Skema Kerja FTIR (Bhargava, 2012)
Sinar inframerah termodulasi melewati sampel yang diserap pada panjang gelombang yang berbeda oleh berbagai molekul dalam sampel, intensitas sinar infra merah terdeteksi oleh detektor. Sinyal dideteksi dan diubah oleh komputer untuk mendapatkan spektrum IR dari sampel (Silverstein, 2002).
Suatu ikatan kimia dapat bervibrasi sesuai dengan level energinya sehingga memberikan frekuensi yang spesifik. Hal inilah yang menjadi dasar pengukuran spektroskopi inframerah. Jenis-jenis vibrasi molekul biasanya terdiri dari enam macam, yaitu symmetrical stretching, asymmetrical stretching, scissoring, rocking, wagging, dan twisting. Daerah inframerah dibagi menjadi tiga sub daerah, yaitu inframerah dekat (14000-4000 cm-1) yang peka terhadap vibrasi overtone, inframerah sedang (40000-600 cm-1) yang berkaitan dengan transisi energi vibrasi dari molekul yang memberikan informasi mengenai gugus fungsi dalam molekul, dan inframerah jauh (600-10 cm-1) yang mengandung atom-atom berat seperti senyawa anorganik (Oxtoby et al., 2012). Pita absorbsi infra merah untuk beberapa gugus fungsi ditunjukkan oleh Tabel 4.
24 Tabel 4. Pita Absorbsi Infra Merah (Coates, 2006)
Gugus Senyawa Frekuensi (cm-1)
O−H Alkohol 3570−3200
C−H Alkana 2962−2853
N−H Amina Sekunder 1650−1550
C=O Amida 1680−1630
Asam Karboksilat 1725−1700
N=O Senyawa Nitrogen 1380
C−N Amina Primer 1090−1020 Amina Sekunder 1190−1130
Spektrum inframerah untuk penentuan struktur senyawa ZnO berada pada range antara 650-400 cm-1 (Sangeetha et al., 2015). Spektrum inframerah untuk ZnO pada penelitian yang telah dilakukan yaitu 514 hingga 442 cm-1 (Kundu et al., 2014), 457 cm-1 (Elumalai dan Velmurugan, 2015) dan 528 cm-1 (Sangeetha et al., 2015).
2.3.2 Particle Size Analysis (PSA)
Ukuran dan distribusi partikel dapat ditentukan dengan menggunakan instrumen Particle Size Analysis (PSA) dengan prinsip Dynamic Light Scattering (DLS). DLS memberikan banyak keuntungan dalam analisis ukuran partikel karena dapat mengukur populasi partikel dalam jumlah besar dan dalam waktu yang singkat, serta tidak dipengaruhi oleh medium. Metode ini dapat mengukur ukuran partikel dari 0,6 nm hingga 6 µm (Bumiller et al., 2006).
Ukuran partikel dihitung berdasarkan gerak brown dari sampel. Gerak brown adalah hasil pemboman partikel-partikel oleh molekul-molekul medium pendispersi (Martin, 2008). Ukuran partikel yang dihasilkan oleh alat ini merupakan hasil yang sebanding dengan kecepatan gerak partikel. Partikel yang memiliki ukuran yang lebih kecil akan bergerak lebih cepat di dalam medium dibandingkan dengan partikel yang berukuran lebih besar (Rawle, 2002).
25 Gambar 9. Skema Kerja PSA (Kulkarni, 2015)
Alat ini bekerja dengan cara memancarkan cahaya dari laser dari sumber cahaya (Gambar 10). Cahaya tersebut melewati polarizer kemudian membentuk material sampel dan menghasilkan hamburan cahaya. Hamburan cahaya yang dihasilkan akan melewati sebuah analyzer yang mengukur polarisasi yang dihasilkan dan akhirnya data akan masuk ke detektor untuk diolah (Berne dan Pecora, 1976).
2.3.3 X-Ray Diffraction (XRD)
Pengujian menggunakan XRD memiliki dua tujuan utama, yaitu untuk mengkonfirmasi jenis fasa serta ukuran rata-rata kristalit yang dihasilkan. XRD merupaka metode utama dalam karakterisasi struktur kristal. Dari posisi puncak-puncak yang dihasilkan dari data eksperimental XRD (besar sudut 2θ) dan membandingkannya dengan data base yang diperoleh dri ICDD (International Center for Diffraction Data) ataupun COD (Crystallography Open Database) bisa didapatkan fasa yang sesuai dengan sampel nanopartikel ZnO hasil eksperimen (Ohara et al., 2012).
26 XRD memanfaatkan hamburan sinar X untuk mengidentifikasi material.
Sinar-X merupakan radiasi elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang 0,01 - 100 Å. Sinar-X dihasilkan oleh tumbukan antara elektron yang dipercepat dengan suatu logam target di dalam tabung sinar-X. 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. Anoda yang biasa digunakan dalam tabung sinar-X adalah logam tembaga. Panjang gelombang yang dihasilkan dari tabung ini dikenal dengan Cu Kα dengan nilai 1,54187 Å (Vitalij dan Peter, 2009).
Prinsip dasar dari XRD adalah hamburan elektron yang mengenai permukaan sampel. Sinar-X yang datang membentuk sudut θ terhadap permukaan sampel dan menumbuk atom, akan dipantulkan dengan sudut yang sama. Begitu pula dengan sinar-X ke dua yang jatuh pada bidang di bawahnya yang berjarak d, sinar ini akan dipantulkan dengan sudut θ namun memiliki fase beda. Detektor akan menangkap dan memunculkan pola difraksi yang terbentuk. Informasi yang ditampilkan dalam pola difraksi sinar-X adalah posisi puncak 2θ dalam satuan derajat, jarak antar bidang dalam amstrong, intensitas dalam counts/second, lebar penuh pada setengah puncak (full width at half maximum/FWHM) dalam satuan derajat dan intensitas dalam counts per second degree (Vitalij dan Peter, 2009).
27 Gambar 10. Skema Kerja XRD (Kulkarni, 2015)
Analisis XRD pada Gambar 11, sinar-X tersebut menembak sampel padatan kristalin, kemudian mendifraksikan sinar ke segala arah dengan memenuh memenuhi Hukum Bragg. Detektor bergerak dengan kecepatan sudut yang konstan untuk mendeteksi berkas sinar-X yang didifraksikan oleh sampel. Sampel serbuk atau padatan kristalin memiliki bidang-bidang kisi yang tersusun secara acak dengan berbagai kemungkinan orientasi, begitu pula partikel-partikel kristal yang terdapat di dalamnya. Setiap kumpulan bidang kisi tersebut memiliki beberapa sudut orientasi sudut tertentu, sehingga difraksi sinar-X memenuhi Hukum Bragg :
n.λ = 2d sin θ
dimana d adalah jarak antar-bidang kisi, 𝑛 merupakan indeks difraksi, sedangkan 𝜆 adalah panjang gelombang sumber sinar-X dan 𝜃 adalah sudut difraksi.
Ukuran kristalit nanopartikel dapat diketahui dengan Persamaan Scherrer : D = kλ / ß cos θ
dimana D adalah ukuran diameter kristalit; k adalah konstanta proporsionalitas (k = 0.9); λ adalah panjang gelombang dari difraksi X-Ray yang
28 digunakan (λ = 1.54056 Å); ß adalah lebar keseluruhan dari puncak difraksi maksimum ( full width at half maximum, FWHM) ; dan θ adalah sudut Bragg yang terbaca oleh mesin XRD (Ohara et al., 2012).
2.3.4 Scanning Electron Microscope-Electron Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS)
Scanning Electron Microscope (SEM) digunakan untuk mengetahui morfologi dari senyawa hasil sintesis, distribusi pertumbuhan kristal, perubahan fisika yang terjadi pada kondisi preparasi. Scanning Electron Microscope (SEM) merupakan salah satu tipe mikroskop elektron yang mampu menghasilkan gambar beresolusi tinggi dari sebuah permukaan sampel. Selama ini SEM dikembangkan untuk mengatasi batasan-batasan pada mikroskop optik dan meningkatkan perbesaran dan resolusi jauh lebih besar dari sistem optikal. SEM merupakan alat yang sangat kuat untuk menguji dan mengintepretasikan mikro-struktur dari suatu material, dan digunakan secara luas pada material - material sains. Mikroskop ini digunakan untuk mempelajari struktur permukaan objek, yang secara umum diperbesar antara 1.000-40.000 kali (Ayyad, 2011).
Skema alat SEM dapat dilihat pada Gambar 11. Prinsip dasar dari SEM didasarkan atas sebuah peristiwa interaksi antara sinar elektron dengan spesimen padatan. Gambar atau foto yang dihasilkan oleh SEM memiliki penampilan tiga dimensi serta berguna dalam menentukan struktur permukaan dari sebuah sampel.
Sebuah filament (electron gun) pada scanning electron microscope digunakan
29 Gambar 11. Skema Instrumen SEM (Myhra dan Riviere, 2012)
untuk membangkitkan sinar elektron pada sebuah vakum yang dihasilkan dalam sebuah kamar dimana sampel disimpan untuk dianalisis. Sinar tersebut diarahkan dengan akurat oleh lensa kondensor elektromagnetik, difokuskan oleh lensa objektif, dipindai melewati permukaan sampel oleh gulungan pendeteksi elektromagnetik.
Dikenal dua jenis elektron, yaitu elektron primer dan elektron sekunder.
Elektron primer merupakan elektron berenergi tinggi yang dipancarkan dari sebuah katoda (Pt, Ni, W) yang dipanaskan. Sedangkan elektron sekunder adalah elektron berenergi rendah yang dibebaskan oleh atom pada permukaan. Atom membebaskan elektron sekunder setelah ditembakkan oleh elektron primer (Mulder, 1996). Detektor dalam SEM mendeteksi elektron sekunder yang dipantulkan dan menentukan lokasi berkas yang dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Arah tersebut memberi informasi profil permukaan benda seperti seberapa landai dan kemana arah kemiringan. Pada saat dilakukan pengematan,
30 lokasi permukaan benda yang ditembak dengan berkas elektron di-scan ke seluruh area pengamatan (Abdullah dan Khairurrijal, 2009). Dengan menghubungkan posisi pemindaian sampel dengan sinyal yang dihasilkan, maka dihasilkan gambar atau foto berwarna hitam putih (Ayyad, 2011).
Gambar 12. Skema detektor EDS (Myhra dan Riviere, 2012)
SEM dilengkapi dengan Electron Dispersive Spectroscopy (EDS) yang bertujuan untuk mengetahui kandungan unsur secara kuantitatif dari suatu sampel.
Tambahan EDS pada alat SEM dimaksudkan untuk mengetahui komposisi unsur-unsur kimia dan persentasenya. Zat yang diuji menggunakan SEM-EDS akan menampilkan citra dari morfologi sampel beserta komponen kimianya. Hal ini dapat digunakan untuk mengidentifikasi kemurnian suatu zat (Fifield dan Kealey, 2000). Skema kerja EDS dapat dilihat pada Gambar 12.