Prinsip Kerja X-Ray Diffraction (XRD)
XRD digunakan untuk analisis komposisi fasa atau senyawa pada material dan juga karakterisasi kristal. 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 ngstrom. Radiasi yang digunakan berupa radiasi sinar-X, elektron, dan neutron. !inar-X merupakan foton dengan energi tinggi yang memiliki panjang gelombang berkisar antara ".# sampai $.# ngstrom. %etika berkas sinar-X berinteraksi dengan suatu material, maka sebagian berkas akan diabsorbsi, ditransmisikan, dan sebagian lagi dihamburkan terdifraksi. &amburan terdifraksi inilah yang dideteksi oleh XRD. 'erkas sinar X yang dihamburkan tersebut ada yang saling menghilangkan karena fasanya berbeda dan ada juga yang saling menguatkan karena fasanya sama. 'erkas sinar X yang saling menguatkan itulah yang disebut sebagai berkas difraksi. &ukum 'ragg merumuskan tentang persyaratan yang harus dipenuhi agar berkas sinar X yang dihamburkan tersebut merupakan berkas difraksi. (lustrasi difraksi sinar-X pada XRD dapat dilihat pada )ambar 1 dan )ambar $.
)ambar 1. (lustrasi difraksi sinar-X pada XRD.
)ambar $. (lustrasi difraksi sinar-X pada XRD.
Dari )ambar $ dapat dideskripsikan sebagai berikut. !inar datang yang menumbuk pada titik pada bidang pertama dan dihamburkan oleh atom P. !inar datang yang kedua menumbuk bidang berikutnya dan dihamburkan oleh atom *, sinar ini menempuh jarak !* + * bila dua sinar tersebut paralel dan satu fasa salin g menguatkan. /arak tempuh ini merupakan kelipatan n panjang gelombang 0, sehingga persamaan menjadi
Persamaan diatas dikenal juga sebagai
, dimana, berdasarkan persamaan diatas,
maka kita dapat mengetahui panjang gelombang sinar X 0 dan sudut datang pada bidang kisi 2, maka dengan ita kita akan dapat mengestimasi jarak antara dua bidang planar kristal d""1. !kema alat uji XRD dapat dilihat pada )amnbar 3 dibawah ini.
)ambar 3 !kema alat uji XRD. Dari metode difraksi kita dapat mengetahui secara langsung mengenai jarak rata-rata antar bidang atom. %emudian kita juga dapat menentukan orientasi dari kristal tunggal. !ecara langsung mendeteksi struktur kristal dari suatu material yang belum diketahui komposisinya. %emudian secara tidak langsung mengukur ukuran, bentuk dan internal stres dari suatu kristal. Prinsip dari difraksi terjadi sebagai akibat dari pantulan elastis yang terjadi ketika sebuah sinar berinteraksi dengan sebuah target. Pantulan yang tidak terjadi kehilangan energi disebut pantulan elastis elastic scatering. da dua karakteristik utama dari difraksi yaitu geometri dan intensitas. )eometri dari difraksi secara sederhana dijelaskan oleh Bragg’s Law 4ihat persamaan $. 5isalkan ada dua pantulan sinar 6 dan 7. !ecara matematis sinar 7 tertinggal dari sinar 6 sejauh !*+* yang sama dengan
2d sin
secara
geometris. gar dua sinar ini dalam fasa yang sama maka jarak ini harus berupa kelipatan bilangan bulat dari panjang gelombang sinar 0. 5aka didapatkanlah &ukum 'ragg 2d sin
= n.
!ecara matematis, difraksi hanya terjadi ketika &ukum 'ragg dipenuhi. !ecara
fisis jika kita mengetahui panjang gelombang dari sinar yang membentur kemudian kita bisa mengontrol sudut dari benturan maka kita bisa menentukan jarak antar atom geometri dari
latis. Persamaan ini adalah persamaan utama dalam difraksi. !ecara praktis sebenarnya nilai n pada persamaan 'ragg diatas nilainya 1. !ehingga cukup dengan persamaan
2d sin
=
.
Dengan menghitung d dari rumus 'ragg serta mengetahui nilai h, k, l dari masing-masing nilai d, dengan rumus-rumus yang telah ditentukan tiap-tiap bidang kristal kita bisa menentukan latis parameter a, b dan c sesuai dengan bentuk kristalnya.
Estimasi Crystallite Size dan Strain Menggna!an XRD
8lektron dan 9eutron memiliki panjang gelombang yang sebanding dengan dimensi atomik sehingga radiasi sinar X dapat digunakan untuk mengin:estigasi material kristalin. eknik difraksi memanfaatkan radiasi yang terpantul dari berbagai sumber seperti atom dan kelompok atom dalam kristal. da beberapa macam difraksi yang dipakai dalam studi material yaitu difraksi sinar X, difraksi neutron dan difraksi elektron. 9amun yang sekarang umum dipakai adalah difraksi sinar X dan elektron. 5etode yang sering digunakan untuk menganalisa struktur kristal adalah metode Scherrer. ;kuran kristallin ditentukan berdasarkan pelebaran puncak difraksi sinar X yang muncul. 5etode ini sebenarnya memprediksi ukuran kristallin dalam material, bukan ukuran partikel. /ika satu partikel mengandung sejumlah kritallites yang kecil-kecil maka informasi yang diberikan metiode Schrerrer adalah ukuran kristallin tersebut, bukan ukuran partikel. ;ntuk partikel berukuran nanometer, biasanya satu partikel hanya mengandung satu kristallites. Dengan demikian, ukuran kristallinitas yang diprediksi dengan metode !chreer juga merupakan ukuran partikel. 'erdasarkan metode ini, makin kecil ukuran kristallites maka makin lebar puncak difraksi yang dihasilkan, seperti diilustrasikan pada )ambar <. %ristal yang berukuran besar dengan satu orientasi menghasilkan puncak difraksi yang mendekati sebuah garis :ertikal. %ristallites yang sangat kecil menghasilkan puncak difraksi yang sangat lebar. 4ebar puncak difraksi tersebut memberikan informasi tentang ukuran kristallites. &ubungan antara ukuran ksirtallites dengan lebar puncal difraksi sinar X dapat diproksimasi dengan persamaan !chrerer.
Gam bar 4 : XRD Peaks
Rum us
Scher r er
Dimana
=rystallite si>e satuan nm dinotasikan dengan symbol (D)
?@&5 4ine broadenin g at half the maAimum intensity, 9ilai yang dipakai adalah nilai ?@&5 setelah dikurangi oleh Bthe instrumental line broadeningC satuan radian dinotasikan dengan symbol (")
'raggs ngle dinotasikan dengan symbol (#)
X-Ray wa:e length dinotasikan dengan symbol ($)
K dalah nilai konstantata B!hape ?actorC ".E-1 dinotasikan dengan symbol (K)
Perlu diingan disini adalah ;ntuk memperoleh hasil estimasi ukuran kristal dengan lebih akurat maka, nilai ?@&5 harus dikoreksi oleh F(nstrumental 4ine 'roadeningF berdasarkan persamaan berikut.
Dimana ?@&5sample adalah lebar puncak difraksi puncak pada setengah maksimum dari sampel benda uji dan ?@&5 standardadalah lebar puncak difraksi material standard yang sangat besar puncaknya berada di sekitar lokasi puncak sample yang akan kita hitung.
