ANALISIS KOMPOSISI FASA CAMPURAN NANO-PERIKLAS DAN SUBNANO-RUTIL Yufi Hariyani, Suminar Pratapa Jurusan Fisika, FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS), Surabaya 60111, Indonesia E-mail:
[email protected] Abstrak Telah dilakukan analisis data difraksi sinar-x dengan pengumpulan data difraksi sinar-x dari campuran nano-periklas dan subnano-rutil diperoleh dari metode kopresipitasi. Serbuk nano-periklas diperoleh setelah kalsinasi 500°C, subnano-rutil setelah kalsinasi 800°C. Tujuan utama analisis ini adalah mengamati jangkau pengukuran difraksi dalam akurasi dan presisi dari fraksi berat. Skema dari komposisi campuran diperoleh dari 0%periklas-100%rutil, 25%periklas-75%rutil 50%periklas-50%rutil 75%periklas-25%rutil, 100%periklas-0%rutil .Pencampuran keramik nano-periklas dan subnano-rutil tersebut dilakukan dengan dua metode, yaitu pencampuran menggunakan spatula dan mortar. Campuran keramik nano-periklas dan subnano-rutil diukur menggunakan difraksi sinar-x pada ”sudut panjang” 20115 °2θ step size 0.02° dan ”sudut pendek” 25-45 °2θ stepsize 0.04°. Analisis dilakukan menggunakan Rietica, sebuah perangkat lunak berbasis metode Rietveld. Jangkau sudut yang dipilih adalah (A) 20-115, (B) 20-100, (C) 20-85, (D) 20-70, (E) 20-55, (F) 20-40 °2θ untuk sudut panjang. Hasil analisis menunjukkan akurasi komposisi fasa tidak dipengaruhi oleh perubahan sudut kecuali untuk sudut F. Jangkau sudut semakin kecil menyebabkan ketidakpastian fraksi berat relatif yang semakin besar. Ini direkomendasikan bahwa jangkau sudut D digunakan untuk akurasi dan presisi pengukuran. Hasil lain disarankan untuk menggunakan mortar daripada spatula untuk kehomogenan campuran dan pengukuran dengan sudut panjang lebih akurat dan presisi dari pada sudut pendek. Kata Kunci: campuran periklas dan rutil, difraksi sinar-x, analisis Rietveld, jangkau sudut pengukuran, metode pencampuran.
Abstract Extensive analyses have been carried out for x-ray diffraction data collected from mixtures of nano-periclase and subnano-rutile powders obtained by coprecipitation method. The periclase nanopowder was obtained after calcination at 500°C as compared to the subnano-rutile at 800°C. The analyses were mainly aimed to observe the diffraction measurement range on the accuracy and precision of weight fraction. Systematic compositions of the mixtures were prepared, i.e. 0%periclase-100%rutile, 25%periclase-75%rutile 50%periclase-50%rutile 75%periclase-25%rutile, 100%periclase-0%rutile. Two methods of mixing were chosen, either by spatula or mortar. X-ray diffraction data for each mixtures were collected at 2θ range of 20-115° with 0.02° step-size (designated as ”long-range masurement”) and of 25-45° with 0.04° step-size (designated as ”short-range masurement”). The data were analysed using Rietica for phase composition calculation. To simulate different measurements, several ranges of analysis for the ”long-range measurement” were prepared, i.e. (A) 20-115, (B) 20-100, (C) 20-85, (D) 20-70, (E) 20-55, (F) 20-40 °2θ. Results showed that accuracy of phase composition is not strongly influenced by changing the range, except for range F. Furthermore, the narrower the range, the larger the standard deviation of each phase content. It is recommended that at least range D is used for accurate and relatively precise measurement. Other results include suggestion of the use of a mortar than a spatula for acquiring homogeneous mixing and that the ”long-range measurement” is more accurate and precise than the ”short-range measurement”. Key Word: periclas-rutile mixture, X-ray diffraction, Rietveld analysis, measurement range, mixing method
1. Pendahuluan Banyak material berupa campuran (bukan komposit) yang memiliki aplikasi khusus di antaranya adalah campuran keramik. Keramik adalah material yang kuat, dan keras serta tahan korosi. Sifat yang umum dan mudah dilihat secara fisik pada kebanyakan jenis keramik adalah britle atau rapuh. Dalam perkembangan teknologi ini material campuran dikembangkan menjadi nanomaterial. Secara umum material berukuran nano diharapkan dapat memperbaiki sifat dari material baik listrik maupun mekanik, sehingga material dapat memiliki performa tinggi dalam hal ketahanan pemakaian, karena sifat nanomaterial yang khas, campuran nanomaterial juga berakibat pada perbedaan sifat fisik dan kimia campuran itu. Campuran yang mengandung nanomaterial dapat diperoleh dengan berbagai cara, salah satunya adalah kopresipitasi. Metode kopresipitasi merupakan metode basah yang melibatkan reaksi kimia di dalamnya Pembentukan nanokristalin selain kopresipitasi adalah high energy ball milling. Hal penting berikutnya adalah bagaimana mengkarakterisasi campuran yang mengandung nanomaterial ini. Karakterisasi campuran nanomaterial ini salah satunya dilakukan dengan pengukuran difraksi sinar-x. Dalam hal penggunaan difraksi sinar-x, berbagai kondisi pengukuran bisa digunakan baik dalam pemilihan jangkau sudut, step size maupun kehomogenan suatu sampel campuran. Penulis memandang studi ini diperlukan terutama berkaitan dengan banyaknya penguji sampel yang memilih jangkau sudut dengan tujuan biaya operasional semakin kecil (sudut pendek) melainkan kurang memperhatikan hasil analisis yang didapatkan dari pengukuran. Permasalahan yang akan dipecahkan dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh jangkau sudut ukur terhadap hasil analisis komposisi fasa campuran keramik nano-periklas dan subnano-rutil
dari spatula dan mortar menggunakan Rietica. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui jangkau pengukuran difraksi dalam akurasi dan presisi dari fraksi berat. Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan pemahaman tentang berapa jangkau sudut ukur yang masih diperkenankan dalam menganalisa komposisi fasa yang masih dalam batas toleransi, menggunakan Rietica. Sehingga dapat digunakan sebagai acuan untuk menganalisa komposisi fasa pada penelitian selanjutnya dan meminimalkan biaya operasional. 2. Metode Penelitian Serbuk nano-periklas dicampur dengan serbuk subnano-rutil dengan komposisi campuran 0%periklas-100%rutil, 25%75%rutil 50%periklas-50%rutil 75%periklas-25%rutil, 100%periklas-0%rutil. Serbuk nano-periklas dan subnano-rutil diperoleh dengan metode kopresipitasi, setetelah kalsinasi 500°C untuk periklas, dan subnano-rutil setelah kalsinasi 800°C. Tujuan utama analisis ini adalah mengamati jangkau pengukuran difraksi dalam akurasi dan presisi dari fraksi berat. Pencampuran keramik nano-periklas dan subnano-rutil tersebut dilakukan dengan dua metode, yaitu pencampuran menggunakan spatula dan mortar. Campuran keramik nano-periklas dan subnano-rutil diukur menggunakan difraksi sinar-x pada ”sudut panjang” 20115 °2θ step size 0.02° dan ”sudut pendek” 25-45 °2θ stepsize 0.04°. Analisis dilakukan menggunakan Rietica, sebuah perangkat lunak berbasis metode Rietveld. Jangkau sudut yang dipilih adalah (A) 20115, (B) 20-100, (C) 20-85, (D) 20-70, (E) 20-55, (F) 20-40 °2θ untuk sudut panjang. Fungsi puncak yang digunakan dalam analisis ini adalah Pseudo-Voigh dan parameter-parameter yang direfine adalah background (Bo, B1, B2) Sample displacement, Lattice parameter, Phase scale, Overall thermal , U parameter,
Gamma parameter (Gamma 0, Gamma 1 dan Gamma 2). Metode yang digunakan untuk menganalisis komposisi fasa adalah metode ‘ZMV’ relatif dengan menggunakan per-samaan perhitungan fraksi berat relatif: (1)
indikasikan bahwa ukuran periklas adalah nanometer sedangkan rutil adalah subnanometer. Dari analisis menggunakan MAUD juga dida-patkan ukuran kristal periklas yang dikal-sinasi 500°C adalah sekitar 8 nm sedangkan rutil yang diperoleh dengan proses kopre-sipitasi, suhu kalsinasi 800°C adalah sekitar 250 nm.
dengan Wi fraksi berat relatif fasa i (%), s faktor skala Rietveld, Z adalah rumus kimia dalam sel satuan, M adalah berat fasa dan V adalah volume sel satuan. 3. Hasil dan Pembahasan Gambar 1 (a,b) menunjukkan profil terukur sampel campuran periklas-rutil menggunakan (a) spatula pada sudut 20115 °2θ. Dan (b) mortar pada sudut 20115 °2θ. Dari Gambar 1 (a,b) Untuk campuran keramik nano-periklas dan subnano-rutil yang dicampur menggunakan spatula dan mortar terlihat bahwa tidak terjadi reaksi atau tidak terbentuk fasa baru melainkan tetap pada keadaan murninya yaitu fasa periklas dan rutil. Dari Gambar 1 (a,b) juga terlihat bahwa terjadi perubahan besar intensitas pada data difraksi sinar-x untuk sampel campuran keramik nano-periklas dan subnano-rutil, menunjukkan intensitas fasa periklas bertambah tinggi dengan bertambahnya presentase berat fasa tersebut dalam campuran nano-periklas dan subnano-rutil. Sebaliknya intensitas fasa rutil menurun dengan berkurangnya persentase berat fasa rutil dalam campuran keramik nanoperiklas dan subnano-rutil tersebut. Hal ini terjadi karena frekuensi gelombang hambur untuk fasa periklas yang diterima oleh difraktometer akan bertambah dengan bertambahnya fraksi berat periklas, sehingga tinggi intensitas pola difraksi juga bertambah. Pada Gambar 1 (a,b) juga dapat dilihat bahwa pelebaran puncak periklas besar dan pada umumnya pelebaran puncak rutil sempit, hal ini meng-
(a)
(b) Gambar 1 Profil terukur sampel campuran periklas-rutil pada sudut 25115 °2θ menggunakan (a) spatula (b) mortar. Gambar 2 Contoh pola hasil refinement sampel nano-periklas dan subnano-rutil dengan kode M2A, menggunakan metode Rietveld (Hunter,1998). Pola difraksi terukur digambarkan dengan tanda (+ + +) warna hitam dan pola difraksi terhitung digambarkan dengan garis lurus warna merah. Kurva warna hijau paling bawah adalah plot selisih antara pola difraksi terukur dengan pola difraksi terhitung. Garis-garis tegak menyatakan posisi-posisi
puncak. Secara umum, pencocokan (fitting) dengan metode Rietveld bisa dinyatakan selesai mengikuti dua kriteria utama yaitu plot selisih antara pola terhitung dan pola terukur memiliki fluktuatif yang relatif kecil, hanya dapat diamati secara visual, tidak dapat dikuantisasi.
Gambar 2 Contoh pola hasil refinement sampel nano-periklas dan subnano-rutil dengan kode S2A, menggunakan metode Rietveld (Hunter,1998). Gambar 3 menyajikan hasil penghalusan Rietica berupa komposisi fasa berat relatif. Dari Gambar 3 terlihat bahwa jangkau sudut yang berbeda menghasilkan komposisi fasa yang cenderung berbeda. Pada campuran keramik nano-periklas dan subnano-rutil yang dicampur menggunakan spatula ini dapat dilihat bahwa pada komposisi 25%periklas75%rutil (sampel S2); 50%periklas50%rutil (sampel S3) maupun 75%periklas-25%rutil (sampel S4) terlihat bahwa komposisi fasa pada jangkau sudut analisis dari 20-115 ke 20-70 °2θ cenderung konsisten. Meskipun pada sudut 20-40 °2θ terjadi penyimpangan yang cukup terlihat. Pada Gambar 3 ini juga dapat dilihat bahwa pada fraksi berat relatif terjadi penyimpangan mutlak terhadap komposisi
sebenarnya, pada komposisi fasa pencampuran 25%periklas-75%rutil terjadi penyimpangan sekitar 4,4% dari komposisi sebenarnya. Sedangkan pada komposisi 50%periklas-50%rutil menghasilkan kom-posisi fasa/fraksi berat relatif yang tidak akurat, dimana pada grafik terlihat menyimpang sekitar 11%13%, sedangkan pada komposisi 75% periklas-25%rutil juga terjadi penyimpangan yaitu sekitar 2%-3%.
(a)
(b) Gambar 3 Jangkau sudut A-F °2θ (sesuai nomenklatur pada Bab III) dan komposisi fasa berat relatif (%) pada campuran keramik nano-periklas dan subnanorutil menggunakan (a) spatula (b) mortar. Pada pencampuran menggunakan mortar Gambar 3 (b) dapat dilihat bahwa fraksi berat relatif juga menyimpang dari
komposisi sebenarnya, tetapi penyimpangan yang terjadi tidak sebesar pada penyimpangan campuran keramik nano-periklas dan subnano-rutil menggunakan spatula. Pada Gambar 3 (b) terlihat bahwa pada campuran nanoperiklas dan subnano-rutil dengan komposisi 25%periklas-75%rutil; 50%periklas-50%rutil; 75%peri-klas-25%rutil berturut-turut menyimpang sekitar 1,5%; 2%-4%; dan 0,5-1,5%.
(a)
(b) Gambar 4 Ketidakpastian (errors) fraksi berat relatif fasa nanoperiklas dan subnano-rutil, pada pencampuran menggunakan spatula (a)25%periklas-75%rutil(S2) (b) 50%periklas-50%rutil(S3). Dari Gambar 4 ini nampak jelas bahwa penyempitan jangkau sudut ukur/analisis menyebabkan ketidakpastian yang cenderung meningkat. Dari Gambar 4 (a,b,c) dapat dilihat bahwa pada jangkau sudut analisis 20-115 ke 20-70 °2θ terlihat
ketidakpastian komposisi meningkat tetapi kenaikan ini tidak memberikan perbedaan yang cukup signifikan, pada sudut analisis 20-55 °2θ terjadi penurunan ketidakpastian komposisi fasa periklas maupun rutil, sedangkan kenaikan ketidakpastian terbesar terjadi pada jangkau sudut analisis 20-40 °2θ. Pada sampel yang dicampur menggunakan spatula dan mortar ini juga dilakukan pengukuran menggunakan sinar-x pada sudut pendek (25-45) °2θ step size 0.04°, kemudian dianalisis menggunakan Rietica dan diperoleh hasil fraksi berat relatif yang dapat dilihat pada Gambar 5(a,b). Dari Gambar 5(a) terlihat bahwa terjadi penyimpangan pada komposisi sebenarnya 25% periklas-75%rutil; 50% periklas-50%rutil menghasilkan fraksi berat relatif berturut-turut 32,45% periklas-67,55%rutil dan 64,02 % periklas35.98%rutil. Dari Gambar 5(b) terlihat bahwa fraksi berat relatif campuran periklas-rutil dengan mortar cenderung sama dengan komposisi berat awal campuran, hal ini berbeda dengan Gambar 5(a) pencampuran dengan spatula, fraksi berat relatif sedikit menyimpang dari komposisi awal.
(a)
(b) Gambar 5 Fraksi berat relatif fasa nanoperiklas dan subnano-rutil menggunakan mortar pada jangkau sudut 25-45 °2θ.
Gambar
6
Perhitungan fraksi berat (Rietveld dan RIR) untuk nano-periklas dan subnanorutil pencampuran spatula dan mortar sebagai pembanding pada komposisi sebenarnya (Pratapa; Hariyani, 2011).
Dari Gambar 6 terlihat bahwa fraksi berat relatif pada campuran nano-periklas dan subnano-rutil pada spatula dan mortar terjadi penyimpangan, pada komposisi periklas sebenarnya untuk 25%periklas penyimpangan yang cukup terlihat terjadi pada perhitungan menggunakan metode
RIR, pada 50% dan 75%periklas penyimpangan yang terlihat terjadi pada pencampuran menggunakan spatula, sedangkan pada pencampuran menggunakan mortar tidak terlihat penyimpangan/fraksi berat relatif yang dihasilkan sesuai dengan komposisi sebenarnya. Gambar 6 juga menunjukkan bahwa pencampuran meng-gunakan mortar memberikan hasil yang jauh lebih akurat dari pada pencampuran menggunakan spatula. 4. Kesimpulan Beberapa kesimpulan yang dapat diambil dari studi ini adlah sebagai berikut: 1. Kehomogenan suatu campuran berpengaruh terhadap analisis komposisi fasa, pencampuran menggunakan mortar lebih baik daripada menggunakan spatula, ditunjukkan dengan hasil analisis komposisi fasa yang lebih akurat pada pencampuran menggunakan mortar. 2. Pada penggunaan mortar, hasil perhitungan komposisi fasa dapat dikategorikan akurat pada semua jangkau sudut kecuali pada sudut analisis 20-40 °2θ step size 0,02. 3. Jangkau sudut yang semakin kecil menyebabkan ketidakpastian (errors) fraksi berat relatif yang semakin besar. 4. Hasil analisis komposisi fasa menggunakan “sudut pendek” (2545 °2θ step size 0,04°), tidak lebih akurat dan presisi dari “sudut panjang” (20-115 °2θ step size 0,02°), dengan simpangan mutlak sekitar 1,5%-5% pada sudut pendek dan sekitar 0,5%-2% pada sudut panjang. 5. Pustaka Balzar, D., dan Popa, N. C (2005). "Analyzing Microstructure by
Rietveld Refinement." The Rigaku Journal 22: 16-25. Chiang, Y.-M. (1997). Physical Ceramics Principles for Ceramics Science and Engineering. Inc : Canada, John Wiley & Sons. Cullity, B. D. (1977). Elements of X-Ray Diffraction. Prentice Hall, New Jersey. Fajarin, R. (2008). Analisis pembentukan material nanokristal dari material amorf berbasis zirconium pada temperatur 390410C. Fisika-FMIPA. Surabaya, ITS. Hunter, B. A. (1998). Comission on in Powder Diffraction. Newsletter of InternationalUnion of Crystallography. Sydney. 20: p. 21. Lutteroti, L. (2006). MAUD: Material Analysis using Diffraction.
Pratapa, S. (2003). Synthesis and character fungtionally-gradded aluminium titanate/ zirconia alulmina composite. Australia, Curtin University of technilogy. Pratapa, S. (2011). "Rietveld Phase Analysis of X-ray Diffraction Data for Nano-periclase and Rutile Mixtures." ICXSM, UNS. Rietveld, H. M. (1969). "A profile refinement method for nuclear and magnetic structures." Journal of Applied Crystallography vol. 2: pp.65-71. William D. Callister, J. (2007). Materials Science and Engineering An Introduction United States of America, John Wiley and Sons. Young, R. A. (1988). "Bimodal Distribution of ProfileRoadening Effects in Rietveld Refinement." Journal of Applied Crystallography 21: 416-425.
