Difraksi Kristal Dan Kisi Resiprok

DIFRAKSI KRISTAL

dan KISI RESIPROK

3/7/2012 Rita Prasetyowati

Tujuan

3/7/2012 Rita Prasetyowati

2

Menentukan/mempelajari struktur kristal secara eksperimen

Syarat agar terjadi difraksi pada kristal :

Menggunakan gelombang radiasi dengan panjang gelombang yang seorde dengan jarak antar atom dalam

kristal (dalam angstrom) .

Dengan mengetahui puncak-puncak difraksi dari gelombang yang dipantulkan oleh bidang kristal (lebih

tepat atom-atom pada bidang), maka struktur kristal dari cuplikan yang bersangkutan dapat dipelajari atau mungkin dapat di-rekonstruksi.

Sumber radiasi yang dapat digunakan untuk keperluan difraksi kristal meliputi :

sinar-x

berkas neutron termal

berkas elektron

Difraksi dapat terjadi bilamana panjang gelombang berkas radiasinya sekitar 1 angstrom.

3/7/2012 Rita Prasetyowati

4

Sinar-x

Radiasi sinar-x dibangkitkan oleh tabung sinar-x. Spektrum keseluruhan dari sinar-x bersifat polikhromatis (spektrum malar dan karakteristik).

Untuk keperluan difraksi digunakan spektrum karakteristik dengan intensitas yang terkuat, biasanya spektrum Kα_.

Agar berkas sinar-x benar-benar monokhromatis diperlukan filter.

Bahan filter bergantung pada panjang gelombang spektrum Kα _{yang akan dipakai.}

Sinar-X adalah radiasi EM dengan panjang gelombang berorde 1Å .

Energi sinar-X cukup tinggi, antara 200 eV sampai 1 MeV.

Sinar-X diproduksi dengan menggunakan hubungan interaksi antara bagian luar elektron dengan elektron kulit atom di dalamnya.

Menembakkan elektron cepat pada logam (anoda) yang berada pada ruang vakum.

Berkas elektron dihasilkan oleh katoda yang dipanaskan dengan filamen

Berkas elektron tertarik menuju anoda karena adanya beda potensial

Interaksi antara elektron berenergi Ek dengan logam anoda menyebabkan terjadinya pancaran sinar-X

3/7/2012 Rita Prasetyowati

6

Radiasi yang dipancarkan : radiasi spektrum kontinu dan radiasi spektrum diskret.

Radiasi spektrum kontinu : rentang gelombang lebar, energi radiasi naik seiring bertambahnya nomor atom dan sebanding dgn kuadrat tegangan.

Terjadi karena perlambatan mendadak gerak elektron dari katoda ketika mendekati anoda oleh gaya elektrostatika antar elektron tsb dgn elektron pada anoda.

Radiasi spektrum diskret : bersesuaian dgn karakteristik logam yang ditembak, hanya mempunyai energi untuk mengeluarkan satu elektron dari dalam kulitnya.

Elektron lain dari level yang lebih tinggi kemudian mengisi kekosongan tsb, dengan memancarkan sinar-X sewaktu transisi

DIFRAKSI SINAR X

Difraksi dapat memastikan stuktur atomik dari kristal dan mengambarkan tiga dimensi susunan sesungguhnya atom atom itu.

Contoh kristal NaCl :

Tiga Dimensi Dua Dimensi

Bagan difraksi sinar-X

3/7/2012 Rita Prasetyowati

Difraksi Sinar-X

Difraksi kristal menggunakan berkas sinar-x  ditinjau dari kesederhanaan teknik pembangkitnya serta maksimalnya hasil difraksi dalam memberikan informasi tentang struktur kristal.

Difraksi sinar-x oleh sebuah materi terjadi akibat dua fenomena:

(1) hamburan oleh tiap atom

(2) interferensi gelombang-gelombang yang dihamburkan oleh atom-atom tersebut.

Interferensi ini terjadi karena gelombang-gelombang yang dihamburkan oleh atom-atom memiliki koherensi dengan gelombang datang dan, demikian pula, dengan mereka sendiri.

 The path difference between ray 1 and ray 2 = 2d Sin

 For constructive interference: n = 2d Sin

d

    Ray 1 Ray 2  Deviation = 2

Misal ditinjau dua berkas sinar-x yang mengenai atom-atom pada bidang kristal (hkl) pada gambar.

Berkas sinar pertama dan kedua memiliki beda lintasan sebesar (2d sin θ) untuk sampai pada titik pengamat.

Agar terjadi interferensi yang konstruktif (saling menguatkan), maka beda lintasan yang

bersangkutan haruslah merupakan kelipatan bulat dari panjang gelombang sinar-x tersebut.

Syarat Bragg

d : jarak antar bidang (hkl) yang sama θ : sudut difraksi

3/7/2012 Rita Prasetyowati

Pada difraktometer sinar-x, posisi kristal sedemikian sehingga pengukuran dilakukan pada sudut 2θ, yaitu sudut yang dibentuk oleh sinar hambur.

Pengukuran tersebut menghasilkan data intesitas berkas sinar hambur (I) dan sudut difraksi (2θ).

Dari data itu, dapat dihitung jarak antar bidang dari bidang-bidang yang mendifraksikan berkas sinar-x.

 melalui difraksi sinar-x dapat diketahui beberapa parameter kisi dan struktur kristal dari cuplikan yang diamati.

Struktur kristal mempunyai 2 kisi,

yaitu kisi kristal dan kisi resiprok

jika kristal di sinari dengan

sinar-x, maka akan dihasilkan pola

difraksi yang merupakan peta kisi

resiprok kristal tersebut.

sebagai kisi nyata, maka di

hasilkan pola difraksi yang

berbentuk kisi resiprok

3/7/2012 Rita Prasetyowati

16

Jika suatu kristal terdiri dari atom-atom yang

tersusun secara teratur dan periodik dalam

ruang dan jarak antar atom hampir sama

dengan panjang gelombang sinar-x, maka

kristal tersebut dapat berfungsi sebagai

kisi-kisi yang menghamburkan cahaya.

Sinar-x mempunyai panjang gelombang yang

mendekati jarak antar atom, maka difraksi

dapat terjadi kalau kristal dikenai oleh

sinar-x.

Difraksi dan Kisi Resiprok

Sel satuan (unit cell) kristal dibagun oleh vektor-vektor basis a1, a2 dan a3.

Kisi dalam ruang (real/nyata) tiga dimensi tersebut disebut

kisi langsung (direct-lattice).

Sebaliknya, dapat didefinisikan kisi balik (reciprocal-lattice) yang dibangun oleh vektor-vektor basis dalam ruang balik b1, b2, dan b3, menurut hubungan :

b

1

= (2π/V

prim

) (a

2

x a

3

)

b

2

= (2π/V

prim

) (a

3

x a

1

)

b

3

= (2π/V

prim

) (a

1

x a

2

)

18

Vektor dalam kisi resiprok Ghkl (semacam vektor translasi

T dalam kisi langsung) dinyatakan sebagai berikut :

G

hkl

= hb

1

+ kb

2

+ lb

3 k0 : vektor gelombang datang k : vektor gelombang hambur Ghkl : vektor normal bidang

k0 : vektor gelombang datang

k : vektor gelombang hambur s : vektor hamburan

hamburan dianggap elastik : k = k0

20

mengingat kembali syarat Bragg : 2d sin θ = λ, maka :

 Scattered waves from various atoms in the UC interfere to create the diffraction pattern

The wave scattered from the middle plane is out of phase with the ones scattered from top and bottom planes

d

_(h00) _{B } Ray 1 = R₁ Ray 2 = R₂ Ray 3 = R₃ Unit Cell

x

M C N R B S A ' 1 R ' 2 R ' 3 R (h00) plane

a

 :: :: AC MCN x AB RBS:: :: h a x x AC AB         2 ₀₀ ( )  2 1R MCN dh Sin R    h a x AC AB RBS R R_{1 3}         2 a x h h a x R R      2 2 3 1   fractionalcoordinate x a x _{   hx} R R     2 3 1

Extending to 3D



 2 (



h x k yl z) Independent of the shape of UC

Note: R₁ is from corner atoms and R₃ is from atoms in additional positions in UC

 



 

 If atom B is different from atom A  the amplitudes must be weighed by the respective atomic scattering factors (f)

 The resultant amplitude of all the waves scattered by all the atoms in the UC gives the scattering factor for the unit cell

 The unit cell scattering factor is called the Structure Factor (F)

Scattering by an unit cell = f(position of the atoms, atomic scattering factors)

electron an by scattered wave of Amplitude uc in atoms all by scattered wave of Amplitude Factor Structure F  [2 ( )] i i h x k y l z

E



Ae





fe

    2 (h x k y l z )







   In complex notation 2

F

I



[2 ( )] 1 1 j j j j n n i i h x k y l z hkl n j j j j

F

f

e



f e

       









Structure factor is independent of the shape and size of the unit cell

For n atoms in the UC

) ( 2



  Cos e ei i   

A Atom at (0,0,0) and equivalent positions

[2 ( )] j j j j i i h x k y l z j j

F



f

e





f

e

      [2 ( 0 0 0)] 0 i h k l

F



f

e

     



f e



f

2 2

f

F



 F is independent of the scattering plane (h k l)

  ni ni

e

e





1





e

1

) (evenn i





e

B Atom at (0,0,0) & (½, ½, 0) and equivalent positions [2 ( )] j j j j i i h x k y l z j j

F



f

e





f

e

      1 1 [2 ( 0)] [2 ( 0 0 0)] _{2 2} [ 2 ( )] 0 ₂ ( )

[1

]

i h k l i h k l h k i i h k

F

f

e

f

e

f e

f e

f

e

   _            













 F is independent of the ‘l’ index

C- centred Orthorhombic Real

]

1

[

e

i (h k)

f

F





 

f

F



2

0



F

2 2

4 f

F



0

2



F

e.g. (001), (110), (112); (021), (022), (023) e.g. (100), (101), (102); (031), (032), (033)

D Atom at (0,0,0) & (½, ½, 0) and equivalent positions [2 ( )] j j j j i i h x k y l z j j

F



f

e





f

e

     

]

1

[

( ) ( ) ( ) )] 2 ( 2 [ )] 2 ( 2 [ )] 2 ( 2 [ )] 0 ( 2 [ h l i l k i k h i h l i l k i k h i i

e

e

e

f

e

e

e

e

f

F

     





























      

Face Centred Cubic

Real

f

F



4

0



F

2 2

16 f

F



0

2



F

(h, k, l) unmixed (h, k, l) mixed e.g. (111), (200), (220), (333), (420) e.g. (100), (211); (210), (032), (033) (½, ½, 0), (½, 0, ½), (0, ½, ½)

]

1

[

e

i (h k)

e

i (k l)

e

i (l h)

f

F





 



 



 

A o o e B o e e ( ) ( ) ( ) CASE A : [1ei e ei o ei o ]    [1 1 1 1] 0 ( ) ( ) ( ) CASE B : [1ei o ei e ei o ]    [1 1 1 1] 0

0



F

_F

2



₀

(h, k, l) mixed e.g. (100), (211); (210), (032), (033)

Unmixed indices CASE h k l

A o o o B e e e Unmixed indices

f

F



4

F

2



16 f

2 (h, k, l) unmixed e.g. (111), (200), (220), (333), (420) All odd (e.g. 111); all even (e.g. 222)

( ) ( ) ( )

CASE A : [1ei e ei e ei e ]    [1 1 1 1] 4

( ) ( ) ( )