Analisis RlETAN pada ReduksiData Difraktometer Serbuk ResolusiTmggi (Supandi Suminta)
ANALISIS RIETAN PADA REDUKSI DATA DIFRAKTOMETER SERBUK RESOLUSI TINGGI SupaDdi SumiDta daDTri Hardi P Puslitbang Iptek Bahan (P31B) -BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang 15314
ABSTRAK ANALISIS RIETAN PADA REDUKSI DATA DIFRAKTOMETER SERBUK RESOLUSI TINGGI. Telah dilakukan penghalusan dua standar Ni dan Si dari data intensitas difraksi neutron dengan menggunakan program RIETAN. lntensitas ditraksi neutron diukur dengan Difraktometer Serbuk Resolusi Tinggi (HRPD) P31B-BATAN. Hasil daTi penghalusan pola ditraksi, menunjukkan bahwa harga Rwp dan goodness o/fitting,S sesudahreduksi diperoleh harga Rwp dan goodness o/fitting,S menjadi lebih baik. Untuk Ni sesudah reduksi diperoleh nilai Rwp turun daTi 23,01% menjadi 15,22% dan nilai S daTi3,2230 menjadi 2,0405. Sedangkan untuk Si sesudah reduksi diperoleh Rwp turun daTi27,40% menjadi 16,31% dan nilai S dari 2,4336 menjadi 1,3579. Dari basil penghaJusankedua standar Ni dan Si setelah data intensitas difraksi neutron terreduksi dengan faktor reduksi absorbsi background menunjukkan pola dit'raksi basil penghalusan RIETAN lebih baik. Untuk kegiatan pengembangan bahan percobaan selanjutnya data intensitas difraksi neutron basil pengukuran dengan HRPD P31B-BATAN disarankan untuk direduksi terlebih dahulu sebelum dianalisis dengan metode Rietveld. Kata kunci : Difraktometer serbuk resolusi tinggi (HRPD), rwp, goodness offitting
S
ABSTRACT RIETAN ANALYSIS ON REDUCTION DATA OF HIGH-RESOLUTION POWDER DIFFRACTOMETER. Refinement of Si and Ni standard betore and after reduction the data have been done from diffraction intensity data using RIETAN. The diffraction intensity data were obtained trom Ni and Si standard sample measured by using High Resolution Neutron Powder Diffractometer (HRPD) P3IB-BATAN. The refinement results show that after reduction the data, values of Rwp and S ofNi standarddecreasefrom 23.01 % to 15.22% and S value from 3.2230 to 2.0405 respectively, while Si standard trom 27.40% to 16.31% and S value trom 2.4336 to 1.3579, respectively. According to this result, it is suggested that all diffraction intensity data measured by HRPD at P3IB-BATAN need to be corrected by background absorption reduction tactor before t'uther analysed. Key words: High resolution powder diffractometer (HRPD), rwp, goodness of fitting S
PENDAHULUAN RIETAN (RIETveld ANalisis) adalah merupakan suatu paket perangkat lunak (software) komputeryang telah dikembangkan penggunaannya dalam metode Rietveld untuk analisis struktur kristal dari data difraksi neutron maupun difraksi sinal-X. Prinsip dasarmetode Rietveld adalah menghitung intensitas pola difraksi titik demi titik berdasarkanmodelyang kemudian dicocokkan atau dihaluskan (refined) denganintensitas pola difraksi daTi pengamatan. Perhitungan intensitas tersebut melibatkan fungsi profile puncak difraksi yang tergantung daTi ukuran butir, resolusi alat dan lain-lain. Proses penghalusan dapat dilakukan dengan metode lea.'Itsquare atau metode optimasi. Software RIET AN menggunakan metode least square.so marquart [1]. Analisis struktur kristal dapat dilakukan melalui dua tahapan penghalusan parameter yaitu 1. parameter global yaitu penghalusan (refinement) parameteruntuk mengoreksi titik nol pola difraksi : zero-point .sohiftdan
parameterlatar belakang (background) dan 2. parameter fasa dependent yaitu parameter untuk penghaluskan intensitas yang terintegrasi : faktor skala, preferredorientation, parameter profil dan parameter struktur seperti faktor kisi (a,b dan c, sudut a, b dan g) , posisi atom (x,y dan z), faktor okupansi dan vibrasi termal isotropic (B). Output basil kedua tahapan penghalusan tersebut adalah dalam bentuk grafik profil pola difraksi (Igor pro) dan informasi data barn struktur kristal yang menunjukkan basil yang representatif daTifasa kristal. Databarn struktur kristal tersebutberisi informasi seperti nilai indeks reliabilitas (R), goodness of fitting,S, parameterkisi, posisi atom, volume sel satuan, densitas dalam selsatuan, indeksMi/ler (hkl),jarak antarbidang (d), intensitas perhitungan, FWHM dan lain-lain. Untuk mengetahui baik tidaknya basil penghalusan ditunjukkan oleh tingkat nilai indeks rehabilitas (R) atau Least Square (program GSAS).
265
ProsidingPertemuanllmiah llmu Pengetahuandan TeknologiBahan 2002 Serpong,22 -23 Oktober2002 Tingkat nilai ini merupakan besarnya nilai yang mengukur tingkat ketidaksesuaian antaradata basil pengamatandengan perhitungan. Semakin kecil harga R menunjukkan tingkat kesesuaian antara basil pengamatandengan perhitungan semakinbaik. Artinya bahwa parameter profil clan parameter struktur kristal yang diuji semakin mendekati harga yang sebenarnya. Atau dapat dikatakan bahwa tingkat harga R semakin kecil menunjukkan bahwa koinsidensi keduajenis pola lebih baik. Sejak tahun 1992 sampai dengan 1995 [2] telah dilaksanakan empat kali workshop dalam pemanfaatan reaktor riset bidang hamburan neutron. Workshop dihadiri oleh beberapapesertadari beberapanegaraAsia Fasifik. Program tiga tahun dimulai dengan kalibrasi peralatan difraktometer neutron serbuk resolusi tinggi (HRPD) dengan basil yang baik. Kemudian dilanjutkan dengan studi bahan kristal superkonduktor, superionik clan bahan magnetik. Workshop tersebut bertujuan untuk memberikan latihan kepada para peserta dalam penggunaanperalatanHRPD, clananalisis data intensitas difraksi neutron dengan metode Rietveld menggunakan program RIETAN. Program ini adalah suatu pengembangan metode Rietveld yang dibuat oleh F.Izumi sebagai program analisis struktur kristal dari data intensitas difraksi neutron maupun X-ray. HRPD termasuk salah satu perangkat yang potensial untuk mempelajari struktur rnateridengan menggun3kanberkas neutron. Hasil-hasil penelitian dalam karya tulis ilmiah telah banyak dipublikasikan dalam prosiding, jumal nasional dan intemasional. Namun sejak tahun 1997 perangkat HRPD [3] yangpaling banyakdiminati ini mulai menunjukkanunjuk kerja yang menurun. Dalam pengujian pengaruh turunnya daya operasi reaktor ini, dibandingkan pola difraksi cuplikan standarTiO 2 menunjukkanpola difraksi untuk take offangle 890berturut-turut pada dayareaktor 25 MW dan 15 MW dengan counting rate masingmasing 150 cps clan 90 cps, turunnya counting rate karena turunnya clara operasi reaktor. Waktu yang dibutuhkan untukpreset count yang sarnaberturut-turut 34 clan 41 jam, sedangkan cacahan background yang diperoleh dari analisis Rietveld berturut-turut 99 cpsdan 212 cps. Backgroundyang lebih tinggi disebabkan oleh lamanya waktu percobaan. Telah dilakukan kalibrasi dengan menggunakan standar TiO2, clan A12O3 basil yang diperoleh menunjukkan pola difraksi yang tidak baik dengan munculnya puncak-puncak Bragg asing pada daerah 28 tertentu. Tri Hardi P, dkk [4] dalam penelitiannya melaporkan bahwa terdapat puncak-puncak disekitar sudut 2 8 = 1300 disebabkan oleh gerakan motor step yangtidak stabil sehinggapada selang (step)pengukuran setiap0,05 hasilcacahan menjadi tidak tetap (konstan) untuk L\28 = 0,05. Tri Hardi ill, dalam penelitiannya telah berhasiil, , ' mengatasi kendala yang disebabkan puncak asing yaitu dengan membuat rancangan
266
ISSN1411-2213
perangkat lunak untuk mengeliminasi puncak asing tersebutdan meningkatkan kualitas data difraksi neutron yang berasal daTi wadah vanadium dan cacah latar belakang. Rancangan perangkat lunak telah diuji coba pada cuplikan bahan amorf (A~S)o S(AgP°3)Os dan berhasil diterapkan untuk mereduksi data hamburan bahan amorf seperti bahan konduktor superionik berbasis gelas. Dalam beberapa tahun terakhir (tahun 2001) unjuk kerja daTi HRPD-P3IB kurang memenuhi persyaratan pada keluaran data. Pol a difraksi menunjukkan adanya ketidak normalan dalam sistim instrumen, yang berasal bukan daTi cuplikan maupun dati cacahan latar belakang. Tri Hardi P,dkk [5] telah mengembangkanlagi rancangan perangkat lunak untuk meningkatkan kualitas data difraksi dengan cara menghilangkan pengaruh ketidak normalan cacahan yang disebabkan oleh instrumen. Rancangan perangkat lunak yang menggunakanprogram VisualBasic ini diuji coba pada cuplikan standar Ni dan Si. Data intensitas difraksi neutron dari standarNi dan Si diperoleh dengan menggunakan difraktometer serbuk resolusi tinggi (HRPD-P3IB). Pola difraksi daTi data tereduksi menunjukkan puncak -puncak disekitar sudut 28= 130 ° nampak hilang. Hasil kalibrasi Instrumen [5] dati kedua cuplikan tersebutdiperoleh panjang gelombang sebesar A = 1,8214A yang diperolehdari refleksi monokromator Ge(311) pada daya reactor 15 MW dan rentang sudut difraksi 28 =2,5°-162,5°, ketelitian sudut difraksi
~8=0,25°. Penelitianini bertujuanuntuk melihat sejauhmana keberhasilan program reduksi yang telah dibuat untuk menganalisis data difraksi dari cuplikan standar Ni dan Si yangtelah direduksi dan membandingkannyadengan datamentahnya. Data difraksi tereduksi menggunakan rancanganperangkat lunak buatart Tri Hardi [5].
BAHAN DAN TATAKERJA Cuplikan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Ni dan Si buatanMerck dengantingkatkemumian pro analisis 99,99%. Cuplikan serbuk Ni daD Si dimasukkan kedalam wadah vanadium, kemudian diletakkan pada sample holder dan diposisikan hingga berkas neutron tepat (terfokus) mengenai sampel denganmenggunakan neutron kamera. Tobe/I.
Kondisi pengukuran cuplikan Si clan Ni
Analisis RlETAN pada ReduksiData DifraktometerSerbuk ResolusiTinggi (Supandi Suminta)
lntensitas difraksi cuplikan serbuk Ni dan Si diukur menggunakan High Resolution Powder Difractometer (HRPD) yang terletak pada Tabung PemanduNeutron (NOT) pada dayareaktor 15 Mw; dan monokromatoryangdigunakanadalahGe(311 ),kolimator ~ =0,31 denganpanjanggelombang, 1-,=1,8214A. Pengukuran dilakukan pada suhu ruang tanpa memutar sampel dalam rentang sudut 28 antara 2,5°.162,5° denganselangtiap data (step)0,25°.Kondisi pengukuran disajikan pada Tabell. Setelah pengukuran selesai diperoleh pola difraksi untuk tiap cuplikan, kemudian diambil gambar hardcopy photographs dan intensitas data yang telah disortir dipindahkan ke komputer PC. Copy data tereduksi dikonversi ke dalam komputer Macintosh dan selanjutnya dianalisis dengan metode Rietveld
tinggi dan (c) profil pola difraksi neutron hasil penghalusan RIETAN standar Ni sesudah data intensitas difraksi direduksi mernberikan harga kualitas fitting (Rwp) lebih baik yakni sebesar 15,22% dan goodness offitting, S= 2,0405, nampak puncak asing pada rentang sudut28 yang sarna antara 106° -112°dan 126°-132°telah hilang. Tabel3. Data struktur dan posisi atom standarSi basil
menggunakan programRIETAN.
BASIL DAN PEMBAHASAN
Parameterkisi: a=b=c=S,432(1), V=160,271(6)A, .
Penghalusandenganprogram RIETAN dilakukan dengan cara mengasumsikan bahwa standar Ni dan Si masing-masingbersistimkristal kisi Bravais kubik (FCC), grup roang F m 3 m dan Ni bersistim kristal kisi Bravais juga kubik (FCC), grup ruang F d 3 m. Hasil akhir penghalusan kedua standar Ni dan Si sebelum clan sesudahdireduksi diperolehdata stmktur disajikan dalam Tabe12 dan 3. Tabel 2. Data struktur dan posisi atom standarNi basil penghalusan RIETAN Ni (Nikel)sebelum
8a
~ § 6000 5000 ""j"""' ~
fi
"'!""--""""":"""""""""'i' : : Ni (raWdata) ; !
"'---T'
.
"" 2000
1
".:"~:EP1fJ4
V= 43,68 (3)A,
40
grup ruang:F m 3 m (F C C)
6(3)
i .3000 4000 ---+
lOOOt ,
reduksi
Parameter kisi: a=b=c=3,S22(1),
grup ruang:Fm 3 m (FCC)
6000 5000..."":
60
,!; ,
80
100
120
140
: Ni:Rvp.Z3.~ ; "
;
19 4000
! 30001
§ 2000~'
Ni (N ik el) sesudah reduksi
1000 I
Parameter kisi:
a=b=c=3,S248(S),V=43,791(1)A,
i
grup ruang:Fm3 m (FCC) 4a
;
:~~ A'
Garnbar 1 adalah profil pola difraksi neutron standar Ni pacta skala penuh (a) raw data standar Ni hasil pengukuran HRPD-P3 ill-BAT AN, terlihat puncak yang lernah dan latar belakang yang tidak baik pacta rentang sudut 26 yang sarna antara 106°-112° dan 126°-132°, (b) profil pola difraksi neutron hasil penghalusanRlETAN standar Ni sebelumdata intensitas difraksi direduksi, rnernberikan harga kuaiitas fitting (Rwp) lebih tinggi yakni sebesar23,016%,goodnes." of fitting, S = 3,2230, narnpak puncak Bragg asing pacta rentang sudut 26 yang sarna antara 106°-112° dan 126°-132°,masihterlihatjelasdenganlatarbeiakang yang
~
:
-~,r_.)~_..~
I
'"\.-~I
0,72(9)
c 40
60
80
100
120
Sudut 20. Gambar 1. Propfil pola difraksi standar Ni hasil penghalusan RIETAN (a) raw data (b) sebelumreduksi (c) sesudahreduksi
267
Prosiding Pertemuan Ilmiah Ibnu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002
Gambar 2 adalah profi1 po1a difraksi neutron standar Si pada skala penuh (a) raw data standar Si hasi1 pengukuran HRPD-P3ffi BATAN, ter1ihatpuncak Bragg yang 1ernahyang berirnpit dengan puncak Bragg rni1ik rasa Si dan 1atarbe1akangyang tidak baik pada rentang sudut 28 antara 106°-112° dan 126°-132°, (b) profil pola difraksi neutronhasi1penghalusanRIET AN standar Si sebe1umdata intensitas difraksi tereduksi, rnernberikan harga kualitasfitting (Rwp) 1ebihtinggi dibanding Gambar2c yakni sebesar27,40%,goodness offitting, s= 2,4336,ter1ihat puncakBraggasingpada rentang sudut 28 yang sarna antara 106° -112° dan 126°-132°, masihterlihatjelas denganlatarbelakang yang tinggi, dan (c) profi1 po1a difraksi neutron hasi1 penghalusanRIET AN standar Si sesudahdata intensitas difraksi tereduksi memberikan harga kualitas fitting (Rwp) turun (lebih baik) yakni sebesar 16,31% dan goodness offitting, S= 1,3579, nampak puncakBragg pada rentang sudut 28 yang sarnaantara 106° -112° dan 126°-132°te1ah hi1angdengan1atarbe1akangyang1ebih
ISSN1411-2213
Bentuk profil pola difraksi ini menggambarkan kecocokan (fitting) intensitas difraktogram berkas neutronantara pengamatan dengan perhitungan basil penghalusan RIETAN. Tanda (+) adalah data basil pengamatan, garis malar ( -) adalah data perhitungan, garis vertikal ( I ) dibawahnya ad.aiahposisi puncak dan indeks rasa (indeksMiller) Ni dan Si dan garis mendatar (-) dibawah garis vertikal adalah gambaran selisih pengamatan dengan perhitungan basil penghalusan RIETAN. Harga bobot kualitas jitting atau disebut dengan Rwp (Residual weigh pattern) masing-masing bahan telah dijelaskan di atas. Data kualitasjitting standar Ni dan Si sebelum daD sesudah reduksi basil penghalusan RIETAN, disajikan pada Tabel4. Tabel 4. Data kualitas fitting standar Ni dan Si basil penghalusanRIET AN Kualitas
Fi fling
baik. Sebelum reduksi BahanI Rv.p(%)
Rp
Sesudahreduksi
s
Rv.I(~
Rp
s
N
23,01
16,92
3,m!
15,22
11,%
2,(W)5
Si
27,«)
2),4)
z,~
16,31
1'2,~
1,357)
Keterangan : Rwp = R-bobot pola difraksi, Rp = R-pola difraksi, S: goodness offltting a
Berhasildikonfirmasibahwabasilpenghalusan standar Ni dan Si daTi intensitas difraksi neutron terreduksimemberikankualitasfitting jauh lebih baik dibandingsebelumreduksi.
KESIMPULAN
40
60
80
100
120
140
Sudut29' Gambar2. Profil pola difraksi standarSi hasil penghalusan RIETAN (a) raw data (b) sebelum reduksi (c) sesudah reduksi
268
Dari pengamatan pola difraksi pada standar Ni dan si, basil penghalusan struktur kristal kedua cuplikan Ni dan Si dengan metode Rietveld dapat disimpulkan bahwa basil terbaik daTi penghalusan pola difraksi, menunjukkan keberadaan dua harga kualitas fitting sebelum dan sesudah tereduksi diperoleh harga Rwp dan goodness of fitting.S berbeda. Untuk standar Ni sebelumdan sesudahreduksi diperoleh nilai R wp tumn dari23,01%menjadil5,22%dannilai Sdari 3,2230menjadi 2,0405. Untuk standar Si sebelum dan sesudahreduksi diperolehRwp turundari 27,40%menjadi 16,31% dan nilai S dari 2,4336menjadi 1,3579. Hasil penelitian ill dapat diselesaikan sesuai kondisi instmmen pada saatini, namun bukan basil yang maksimal melainkan berupa peningkatan. Berdasarkan basil penghalusan dengan met ode Rietveld menggunakanprogram RIET AN, data intensitas difraksi terreduksi diperoleh harga kualitas fitting lebih baik. Untuk kegiatan pengembangan penelitian ilmu bahan
Analisis RIETAN pada Reduksi Data DifraktometerSerbuk ResolusiTinggi (Supandi Suminta)
disarankan sebelumdianalisis dengan metode Rietveld dataintensitas difraksi neutron basil pengukuranHRPDP31B BATAN terlebih dahulu direduksi dengan faktor reduksi absorsi background [5].
Padadifraksi menlDljukkanadanyaketidak nonnalan dalam sistem instrumen yang berasal bukan daTi
cuplikan maupun cacahan latar belakang. MlDlCUlnyaplDlcak-puncak sekitar sudut 28 = 130°. Untuk mengatasi hal tersebut,telah dibuat program berbasis j;'/sua/ Basic untuk mereduksi data puncak-plDlcak asing pada sekitar sudut 28 = 130°
UCAPAN TERIMA KASm Penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepadaKepala Balai Spektrometri yang telah membantu dan memberikan dorongan hingga selesainyakarya tulis ilmiah ini. Penulisjuga menyampaikanterima kasihkepada kepala P3ffi, star dan teknisi Balai Spektrometri serta ketua beSertaanggotaKPTP dan semuapihak yang telah membantudan memberikan dorongan hingga selesainya karya tulis ilmiah ini.
2.
Untuk kegiatan pengembangan penelitian sains materi disarankansebelumdianalisis denganmetode Rietveld data difraksi neutron basil pengukuran HRPD P31B BATAN terlebih dahulu direduksi denganfaktor reduksi absorbsibackground (buatan Trihardi P.), diperoleh hasillebih baik.
DAFTARPUSTAKA [1]. F. IZUMI, A RietveldReflnemet Program Rietan-
[2].
94 for Angle-Dispersive X-Ray and Neutron Powder Diffraction, National Institute for Research in Inorganic Materials,1-1Namiki, Tsukuba,Ibaraki 305,(1996) MASONGKOHADI, RIDWAN, GUNAWAN dan PRASUAD, Improvement of The Hig-Resolution Powder Diffractometer (HRPD) at Progress Report, Hamburan Neutron PPSM-BATAN, 1,
(19%) ABARRUL IKRAM, Pemberdayaan Fasilitas [3]. Hamburan Neutron BATAN Serpong, Prosiding Seminar Nasional Hamburan Neutron don [4].
[5]
Sinor-X, (1998). TRI HARDI P, EVVY K, BHAROTO, SUPANDI daD HERRY M, Perancangan Perangkat Lunak Data Difraksi Neutron pada bahan amorf, Pro."iding Seminar Nasional Hamburan Neutron don Sinar-Xke 4, Serpong, (2001). TRI HARD I P daD SUPANDI, Perancangan Perangkat Lunak Untuk Meningkatkan Kualitas Data Difraksi Neutron, Prosiding Seminar Nasional Hamburan Neutron don Sinar-X ke 4. Serpong, (2001).
[6]. ANONIM., Report On-The-Job Training (O.JT) in Neutron Beam Research,BATAN-STA-JAERI, Serpong,(1994).
TANYAJAWAB Pankin, P31B -BATAN Pel1anyaan
I. Untuk apa anda mereduksi pola data 2. Mengapa anda melakukan ini, apakah ada trouble diHRPD Jawaban
1. Padatahunterakhir2001 unjuk kerjaHRPD-P3m kurangmemenuhipersyaratan padake1uarandata.
Ke Daftar Isi 269
