Nama : Putri Fitria Damayanti
NIM : K3316052
Kelas : B
MAKALAH REVIEW JURNAL
DIFRAKSI SINAR-X: METODE YANG KUAT UNTUK MENGKARAKTERISASI NANOMATERIAL
Nanomaterial adalah bahan dengan fitur struktural setidaknya satu dimensi dalam kisaran 1-100 nm. Dengan kata lain nanomaterial merupakan suatu materi yang tersusun dari partikel-partikel yang memiliki ukuran sangat kecil dan tidak dapat dilihat secara kasat mata oleh manusia. Penggunaan nanomaterial dapat diaplikasikan dalam berbagai bidang,seperti:
bidang kesehatan/kedokteran, biologi/bioteknologi, peralatan elektronik, kimia, pertanian dan indsutri obat dan makanan.
Karakterisasi material adalah suatu metode untuk mendapatkan informasi tentang komposisi, struktur, dan cacat dari suatu material dengan atau tanpa menimbulkan kerusakan pada sampel. Ada beberapa teknik yang dapat digunakan untuk melakukan karakterisasi suatu material antara lain : karakterisasi dengan menggunakan XRD, difraksi neutron, mikroskop optik, spektroskopi IR, spektroskopi UV-VIS, spektroskopi NMR, spektroskopi ESR, spektroskopi elektron : XPS, UPS, AES, EELS, Spektroskopi sinar X :XRF, AEFS,EXAFS.
X R D ( X-Ray Diffraction) merupakan metode analisis difraksi sinar yang digunakan untuk mengetahui fasa kristalin meliputi struktur kristal,
ukuran partikel bahan seperti keramik, polimer, komposit dan lain-lain. Difraksi sinar X ditemukan pertama kali oleh Wilhelm Conrad Rontgen seorang profesor fisika dan rektor Universitas Wuerzburg di Jerman dengan melakukan penelitian tabung sinar katoda.
Ia membungkus tabung dengan suatu kertas hitam agar tidak terjadi kebocoran fotoluminesensi ( emisi cahaya dari segala bentuk materi setelah penyerapan foton (radiasi elektromagnetik)) dari dalam tabung ke luar. Lalu ia membuat ruang penelitian menjadi gelap. Pada saat membangkitkan sinar katoda, ia mengamati sesuatu yang di luar dugaan.
Pelat fotoluminesensi yang ada di atas meja mulai berpendar di dalam kegelapan. Walaupun plat tersebut telah dijauhkan dari tabung, pelat tersebut tetap berpendar.
Roentgen berpikir pasti ada jenis radiasi baru yang belum diketahui terjadi di dalam tabung sinar katoda dan membuat pelat fotoluminesensi berpendar. Radiasi ini disebut sinar- X yang maksudnya adalah radiasi yang belum diketahui. Ia menerima Hadiah Nobel Fisika tahun 1914 untuk penemuan difraksi sinar-X pada kristal. Penemuan ini ketika ia membahas permasalahan yang terkait dengan perjalanan gelombang cahaya melalui periodik, susunan kristalin partikel.
Difraksi sinar-X menawarkan sejumlah metode khusus yang berbeda untuk menyelidiki struktur nano:
1. X-ray Reflectometry (XRR) untuk menentukan ketebalan lapisan, kekasaran, dan kepadatan
2. Difraksi X-ray Resolusi Tinggi (HRXRD) membantu memverifikasi ketebalan lapisan, kekasaran, komposisi kimia, jarak kisi dan ketidaksesuaian, relaksasi, dll.
3. Difusi sinar-X hamburan untuk menentukan korelasi lateral dan transversal, distorsi, kepadatan, dan porositas; insiden gracing di dalam pesawat difraksi (IP-GID) untuk mempelajari korelasi lateral organik tertipis dan lapisan anorganik, dan profil kedalaman 4. Small Angle X-ray Scattering (SAXS) atau gracing SAXS (GISAXS) untuk menentukan
ukuran, bentuk, distribusi, orientasi, dan korelasi partikel-nano hadir dalam padatan atau cairan.
Difraksi sinar-X (XRD) adalah alat utama untuk menyelidik struktur nanomaterial.
XRD memiliki tingkat keakuratan yang tinggi dalam pengukuran jarak atom dan tekniknya pilihan untuk menentukan keadaan regangan dalam film tipis. Intensitas yang diukur dengan XRD dapat memberikan informasi kuantitatif dan akurat pada pengaturan atom di antarmuka.
Materi padat terdiri dari dua jenis material: amorf dan kristal. Dalam sampel amorf, atom-atom tersusun secara acak, contohnya adalah gelas. Sedangkan dalam sampel kristal, atom diatur secara dengan pola teratur. Sekitar 95% dari semua material padat dapat
digambarkan sebagai kristal. XRD hanya bisa digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin. Karakterisasi dengan difraksi sinar X tidak merusak struktur kristal nanomaterial.
Difraktometer sinar-X nanomaterial memberikan kekayaan informasi dari komposisi fasa ke ukuran kristal, dari kisi saring ke orientasi kristalografi.
Pada tahun 1919 A.W.Hull mempresentasikan sebuah makalah yang berjudul, “A New Method of Chemical Analysis”. Dalam makalah ini A.W. Hull menunjukkan bahwa setiap zat kristal memberikan pola, zat yang sama selalu memberikan pola yang sama, dan dalam campuran zat masing-masing menghasilkan pola tersendiri.
Dalam karakterisasi dengan menggunakan XRD, sample yang berupa kristal biasanya dibedakan antara monokristalin atau kristal tunggal dengan polikristalin atau bubuk.
Monokristalin atau kristal tunggal adalah suatu material yang atom-atomnya tersusun secara teratur dan berulang secara sempurna tanpa cacat dan memiliki keteraturan dalam jangka panjang, mempunyai penampang sekitar 0,3 mm. Sedangkan polikristalin atau bubuk adalah suatu materi yang terdiri dari banyak kristal, memiliki permukaan bidang yang halus, dengan luas penampang sekitar 0,002 mm hingga 0,005 mm.
Hasil karakterisasi suatu material dengan menggunakan difraksi sinar X dinyatakan dalam bentuk grafik yang disebut dengan difraktogram. Grafik difraktogram digambarkan dalam hubungan antara intensitas sebagai ordinat dan 2θ sebagai absis. Pola difraktogram sinar X dapat memberikan informasi tentang penataan atom dalam suatu material bersifat teratur, kurang teratur atau bahkan tidak teratur. Ada beberapa metode analisis yang dapat dilakukan untuk menganalisis kristal, antara lain :
1. Metode kualitatif, metode ini dilakukan dengan membandingkan data hasil pengukuran yang telah dilakukan dengan referensi. Dari metode kualitatif ini dapat dilihat fasa penyusun kristal
2. Metode kuantitatif, metode ini dilakukan dengan menghitung nilai dari puncak dan lebar puncak grafik. Dari metode kuantitatif ini, dapat dihitung komposisi fasa penyusun kristal.
Gambar Informasi pola difraksi ideal Keterangan gambar :
1. Peak Height ( Tinggi Puncak ), menggambarkan perkiraan intensitas uncak
2. Peak Area/Area Puncak ( intensitas integral ), menggambarkan struktur kristal dan jumlah fasa
3. Peak Width/Lebar Puncak, menggambarkan ukuran kristal, cacat kristal 4. Peak Shape/Bentuk puncak, menggambarkan ukuran kristal dan cacat kristal 5. Peak Position /Posisi puncak, menggambarkan parameter kisi, dan jarak.
Analisis menggunakan XRD didasarkan dengan Hukum Bragg. Hukum bragg merupakan hubungan antara panjang gelombang sinar datang, sudut datang, dan jarak antara bidang kisi kristal.
Ketika berkas sinar-X jatuh pada suatu bahan,maka berkas ini akan didifraksikan oleh bidang kristal yang disusun oleh atom-atom. Besarnya sudut difraksi θ, tergantung pada panjang gelombang target λ, danjarak antar bidang d. Agar gelombang mengalami interferensi konstruktif ( saling memperkuat, amplitudo gelombang yang berpadu besarnya sama dengan 2 kali amplitudo tiap gelombang ) maka perbedaan lintasan harus merupakan
kelipatan bilangan bulat n untuk panjang gelombang tersebut. Sehingga didapatkan Persamaan Bragg :
2 d Sin θ = n λ Keterangan :
n = refleksi
d = jarak interplanar kristal
λ = panjang gelombang sinar datang θ = sudut sinar X yang datang.
Ada beberapa perbedaan penting antara difraksi pola nano dan material massal.
Bahan nano memiliki ukuran partikel yang kecil sehingga menyebabkan garis di puncak difraksi menjadi memperluas. Meluasnya puncak disebabkan oleh sejumlah kecil pesawat kristal. Pelebaran puncak difraksi ini menyebabkan hilangnya intensitassinyal pola difraksi bahan nano. Sedangkan untuk materi massal, berbanding terbalik dengan nanomaterial, dimana materi massal memiliki puncak yang tajam, sempit dan berintensitas tinggi.
Luas puncak/kurva dari suatu difraksi sinar-X dipengaruhi oleh ukuran kristal sebagaimana diperlihatkan oleh formula Scherrer
Dv = K λ /β cos θ
Dimana; Dv adalah ukuran partikel rata-rata, λ = panjang gelombang sinar-X yang digunakan, dan θ adalah sudut difraksi, K adalah konstanta yang besarnya tergantung pada faktor bentuk kristal, bidang (hkl) difraksi, dan definisi besaran β yang digunakan, apakah sebagai Full Width at Half Maximum (FWHM) atau Integral Breadth dari puncak. Nilai K sebenarnya bervariasi dari 0,62 sampai 2,08. Nilai yang umumnya digunakan untuk K adalah:
0,94 jika FWHM dan 0,89 untuk Integral Breadth. Hubungan ini ditunjukkan oleh nilai FWHM/Integral Breadth terhadap ukuran kristal terutama dalam ukuran orde nanometer, seperti diperlihatkan pada Gambar
Gambar tersebut memperlihatkan hubungan antara ukuran partikel terhadap FWHM dan Integral Breadth. Hal ini mengindikasikan bahwa profil kurva suatu puncak difraksi akan melebar terutama untuk ukuran kristal apabila ukuran partikel kurang dari 100 nm. Puncak- puncak difraksi pada spektra difraksi menunjukkan pelebaran (perluasan) karena ukuran dan regangan partikel. Lebar puncak difraksi dapat digunakan untuk memperkirakan ukuran rata- rata partikel.
Semakin kecil ukuran kristallites maka makin lebar puncak difraksi yang dihasilkan.
Kristal yang berukuran besar dengan satu orientasi menghasilkan puncak difraksi yang mendekati vertikal (atas). Kristalin yang kecil menghasilkan puncak difraksi yang lebar (bawah). Lebar puncak difraksi memberikan informasi ukuran kristalin.
Persamaan Debye Scherrer memiliki beberapa keterbatasan. Nilai dari konstanta yang digunakan dalam persamaan dapat berubah tergantung dengan bentuk partikel.
Persamaan ini tidak memperhitungkan keberadaan distribusiukuran dan adanya cacat pada kisi kristal.Oleh karena itu, perhitungan diameter butir dari FWHM ( Full Width Half Maximum )dapat diatasi dengan mengukur ukuran partikel denganTEM ( Transmition Electron Microscopy ) dan SEM ( Scanning Electron Microscopy ). SEM adalah salah satu jenis mikroskop elektron yang menggunakan berkas elektron untuk menggambar profil permukaan benda. Sedangkan TEM adalah alat yang paling teliti yang digunakan untuk menentukan ukuran partikel nano karena resolusinya sangat tinggi, bahkan dengan High Resolution TEM ( HR-TEM ) posisi atom-atom dalam partikel dapat teramati.
Penggunaan XRD paling tradisional adalah sebagai berikut : a. Identifikasi
Difraksi XRD pada umumnya menggunakan sampel yang berupa polikristalin ( serbuk ). Pada tahap ini, dapat dilakukan identifikasi fase sampel apa yang cocok, identifikasi terhadap temperatur fasa, padatan
kristal dan penentuan parameter sel satuan bahan baru. Setiap padatan kristal yang berbeda memiliki pola difraksi X-ray yang unik. Fase dengan bahan kimia yang sama memiliki pola XRD yang berbeda.
b.Kristalinitas Polimer
Polimer dapat dianggap sebagian kristal dan sebagian amorf. Kristal bertindak sebagai penguat grid (seperti kerangka besi dalam beton), dan meningkatkan kinerja di berbagai macam suhu. Namun, jika terlalu banyak kristalinitas, maka dapat menyebabkan kerapuhan. Bagian kristalinitas membuat tajam puncak difraksi yang sempit dan komponen amorf membuat puncak yang luas.
c.Tekanan Sisa
Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas. Nilai positif menunjukkan tegangan tarik ( ekspansi ). Sedangkan nilai negatif menunjukkan keadaan kompresi. Deformasi ( perubahan benda dari kondisi awal ke kondisi terkini ) per satuan panjang disebut regangan.
Analisis tekanan oleh difraksi sinar-X didasarkan pada pengukuran distribusi tegangan kisi sudut. Melalui hukum hooke tekanan dapat dihitung dari distribusi regangan.
d.Analisis tekstur
Analisis tekstur adalah Penentuan orientasi yang disukai dari kristalit dalam agregat polikristalin. Sedangkan tekstur adalah orientasi kristalografi yang lebih disukai dalam polikristalin.
KESIMPULAN
Teknik difraksi sinar-X adalah alat karakterisasi yang sangat berguna untuk dipelajari, tidak merusak struktur kristalografi, komposisi kimia dan sifat fisik bahan dan film tipis.
Difraksi sinar X juga dapat digunakan untuk mengukur berbagai struktur sifat-sifat fasa kristal ini seperti regangan, ukuran butir, komposisi fasa, dan struktur cacat. XRD juga digunakan untuk menentukan ketebalan film tipis, serta pengaturan atom dalam bahan amorf seperti polimer. XRD memiliki tingkat keakuratan yang tinggi dalam pengukuran jarak atom dan tekniknya pilihan untuk menentukan keadaan regangan dalam film tipis. Intensitas yang diukur dengan XRD dapat memberikan informasi kuantitatif dan akurat pada pengaturan atom di antarmuka.
DAFTAR PUSTAKA
Abdullah, Mikrajuddin. 2009. Review : Karakterisasi Nanomaterial. Jurnal Nanosains dan
Nanoteknologi, 2(1) : 1-8
Jamaluddin K. 2010. X-RD (X-Ray Diffractions). Pendidikan Fisika Universitas Haluoleo
Googles Book. Prinsip Dasar Metode Difraksi Sinar X. 33-45
Sharma, Ravi,dkk. 2012. X-Ray Diffraction: A Powerful Method Of Characterizing
Nanomaterials. Recent Research in Science and Technology 2012, 4(8): 77-79
Sumadiyasa, M. 2018. Penentuan Ukuran Kristal Menggunakan Formula Scherrer,
Williamson-Hull Plot, dan Ukuran Partikel dengan SEM. Buletin Fisika Vol. 19 No.1 Februari 2018 : 28 – 35