METODE X-RAY Kristalografi X-ray adalah metode untuk menentukan susunan atom-atom dalam kristal, di mana seberkas sinar-X menyerang kristal dan diffracts ke arah tertentu. Dari sudut dan intensitas difraksi berkas cahaya, crystallographer bisa menghasilkan gambar tiga dimensi kepadatan elektron dalam kristal. Dari kerapatan elektron, posisi rata-rata dari atom dalam kristal dapat ditentukan, serta ikatan kimia mereka, gangguan mereka dan informasi lainnya. 1.1.
Latar Belakang Difraksi sinar-X pertama kali ditemukan oleh Max von Laue tahun 1913 dan
pengembangannya oleh Bragg, merupakan salah satu metode baku yang penting untuk mengkarakterisasi material. Sejak saat itu sampai sekarang metode difraksi sinar-X digunakan untuk mendapatkan informasi struktur kristal material logam maupun paduan, mineral, senyawa inorganic,polimer, material organik, superkonduktor (Suharyana, 2012), orientasi kristal, jenis kristal, ukuran butir, konstanta kisi dan lain-lain. Pada perusahaan semen dan perusahaan-perusahaan besar lain, XRD digunakan sebagai alat uji jaminan mutu suatu bahan. 1.2.
Tujuan Karakterisasi XRD bertujuan untuk menentukan sistem kristal. Metode difraksi sinar-
X dapat menerangkan parameter kisi, jenis struktur, susunan atom yang berbeda pada kristal, adanya ketidaksempurnaan pada kristal, orientasi, butir-butir dan ukuran butir (Smallman, 1991). 1.3.
Manfaat
Manfaat dari penyusunan makalah ini adalah sebagai berikut : 1. Dapat memenuhi tugas mata kuliah fabrikasi 2. Dapat menambah wawasan dan pengetahuan mengenai prinsip kerja X-Ray Diffraction
3. Sebagai referensi dan dapat membantu mahasiswa lain dalam memahami teori X-Ray Diffraction. 2.1
Sinar- X Hamburan sinar-X dihasilkan jika suatu elektroda logam ditembakkan dengan
elektron-elektron dengan kecepatan tinggi dalam tabung vakum. Suatu kristal dapat digunakan untuk mendifraksi berkas sinar-X dikarenakan orde dari panjang gelombang sinarX hampir sama atau lebih kecil dengan orde jarak antar atom dalam suatu kristal (Zulianingsih, 2012). Karakterisasi menggunakan metode difraksi merupakan metode analisa yang penting untuk menganalisa suatu kristal. Karakterisasi XRD dapat digunakan untuk menentukan struktur kristal menggunakan sinar-X. Metode ini dapat digunakan untuk menentukan jenis struktur, ukuran butir, konstanta kisi, dan FWHM. Sinar-X merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang diantara 400-800 nm (Smallman & Bishop, 1999). Sinar-X merupakan gelombang elektromagnetik bertenaga tinggi berkisar antara sekitar 200eV sampai dengan 1 MeV, terletak antara ultra-ungu dan sinar-γ. Sinar ini dihasilkan ketika partikel bermuatan listrik, misalnya elektron, yang bergerak dengan kecepatan tinggi ditumbukkan pada logam berat. Pada peristiwa ini tenaga kinetic partikel elektron berubah menjadi radiasi elektromagnetik. Panjang gelombang radiasi yang dipancarkan bergantung pada tenaga kinetic elektron. Sebuah elektron yang menumbuk atom sasaran menghasilkan sebuah photon sinar-X dengan tenaga sebesar dengan Ee adalah tenaga elektron, yang dinamakan sinar-X Bremsstrahlung. Setelah menumbuk, elektron memiliki tenaga sebesar E < Ee. Karena keadaan awal dan akrir elektron tidak terkuantisasi, maka photon yang dihasilkan memiliki spektrum dengan panjang gelombang yang semambung. Sebuah elektron yang dipercepat menggunakan beda potensial sebesar volt, elektron memiliki tenaga gerak sebesar dan tenaga maksimum sinar-X yang dihasilkan adalah . Selain radiasi Bremsstrahlung, elektron yang ditumbukkan ke logam berat akan menghasilkan radiasi sinar-X dengan gelombang cemiri. Proses terjadinya sinar-X cemiri adalah sebagai berikut. Tumbukan antara elektron bebas yang dipercepat dengan atom sasaran menghasilkan transfer tenaga. Elektron bebas yang ditumbukkan memberikan tenaganya kepada elektron
orbit atom sasaran. Apabila tenaga yang ditransfer cukup besar, terjadi peristiwa ionisasi. Tenaga ionisasi elektron terluar hanyalah sekitar 100 eV dani tenaga ionisasi elektron dari kulit K sekitar 120 keV. Tetapi sinar-X memiliki kebolehjadian yang lebih besar berinteraksi dengan elektron di kulit K daripada dengan elektron di kulit atom yang lebih luar (Suharyana, 2012). Misalkan sebuah elektron di kulit K terionisasi sehingga terdapat sebuah kekosongan elektron di kulit K. Tempat yang kosong ini segera diisi oleh elektron yang berada pada keadaan tenaga yang lebih tinggi, misalnya elektron di kulit L atau M yang disertai dengan pancaran sebuah photon. Jika elektron pengisi kekosongan berasal dari kulit L maka sinar-X yang dihasilkan dinamakan sinar-x Ka. Sedangkan jika berasal dari kulit L dinamakan sinar-X Kb, dan bila berasal dari kulit M dinamakan sinar-X Kg(Suharyana, 2012). Ketika kulit L terdapat sebuah lubang elektron karena ditinggalkan oleh elektron yang berpindah ke kulit K, maka sebuah elektron dari kulit M, N atau O akan bertransisi mengisi lubang tersebut. Kelebihan tenaga elektron yang berpindah dipancarkan dalam bentuk sebuah photon yaitu radiasi sinar-X cemiri. Bila elekron yang mengisi berasal dari kulit M maka sinar-X yang terjadi dinamakan sinar-X La, sedangkan jika berasal dari kulit N dinamakan sinar-X Lb. 2.2
Filter Untuk keperluan difraksi, sinar-X yang dipergunakan hanyalah yang memiliki
panjang gelombang tertentu saja, biasanya dipilih yang paling intens yaitu sinar-X Ka. Sinar ini dapat dipilah dari sinar-X Bremsstrahlung serta sinar-X Kb menggunakan monokromator. Material monokromator yang sering digunakan analah Kristal tunggal Ge atau C. Sinar-X dengan panjang gelombang tunggal akan memberikan data difraksi yang sangat bagus. Namun, harga monokromator elatif sangat mahal. Cara lain yang lebih murah untuk mendapatkan sinar-X cemiri dengan panjang gelombang tunggal adalah dengan memasang filter, yaitu logam tipis dengan ketebalan tertentu. Jenis filter logam yang diperlukan bergantung pada sumber radiasi sinar-X yang digunakan. Jenis filter yang sesuai dapat dilihat pada Tabel di bawah ini. Perlu dituliskan di sini, penggunaan filter memang murah, dapat menghalangi sinar-X namun kerugiannya adalah intensitas menjadi berkurang (Suharyana, 2012).
2.1
Prinsip Kerja XRD Suatu kristal yang dikenai oleh sinar-X berupa material (sampel), sehingga intensitas
sinar yang ditransmisikan akan lebih rendah dari intensitas sinar datang. Berkas sinar-X yang dihamburkan ada yang saling menghilangkan (interferensi destruktif) dan ada juga yang saling menguatkan (interferensi konstrktif). Interferensi konstruktif ini merupakan peristiwa difraksi (Grant & Suryanayana, 1998). Dituliskan suatu persamaan yang disebut dengan hukum Bragg. Persamaan tersebut adalah : Beda lintasan (δ) = n λ
(2.1)
δ = DE + EC’
(2.2)
δ = 2EC’
(2.3)
δ = 2EC sinθ ,
EC = d
δ = 2 d sinθ
(2.4) (2.5)
sehingga beda lintasannya n λ = 2 d sinθ
(2.6)
dengan λ merupakan panjang gelombang, d adalah jarak antar bidang, n adalah bilangan bulat (1,2,3, …) yang menyatakan orde berkas yang dihambur, dan θ adalah sudut difraksi. Suatu material jika dikenai sinar-X maka intensitas sinar yang ditransmisikan akan lebih rendah dari intensitas sinar datang, hal ini disebabkan adanya penyerapan oleh material dan juga penghamburan oleh atom-atom dalam material tersebut. Berkas sinar-X yang dihamburkan ada yang saling menghilangkan karena fasenya berbeda dan ada juga yang saling menguatkan karena fasenya yang sama. Berkas sinar-X yang menguatkan (interferensi konstruktif) dari gelombang yang terhambur merupakan peristiwa difraksi. Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan terhambur ke segala arah, agar terjadi interferensi konstruktif
antara sinar yang terhambur dan beda jarak lintasnya maka harus memenuhi pola nλ (Taqiyah, 2012).
Karena banyak bahan dapat membentuk kristal - seperti garam, logam, mineral, semikonduktor, serta molekul anorganik, organik dan molekul biologis - X-ray kristalografi telah mendasari dalam pengembangan bidang ilmiah. Dalam dekade pertama penggunaan, metode ini menentukan ukuran atom, panjang dan jenis ikatan kimia, dan perbedaan atom skala antara berbagai bahan, terutama mineral dan paduannya. Metode ini juga mengungkapkan struktur dan fungsi molekul biologis, termasuk vitamin, obat-obatan, protein dan asam nukleat seperti DNA. Kristalografi X-ray masih merupakan metode utama untuk mencirikan struktur atom bahan baru dan bahan lain yang muncul serupa tidak dapat dibedakan eksperimen lain. X-ray struktur kristal juga dapat menjelaskan sifat elektronik atau elastis material yang tidak biasa, menjelaskan interaksi kimia dan proses, atau sebagai dasar untuk merancang obat-obatan terhadap penyakit.
Dalam pengukuran difraksi sinar-X, kristal dipasang pada goniometer dan diputar bertahap saat dibombardir dengan sinar-X, menghasilkan pola difraksi bintik-bintik teratur spasi dikenal sebagai refleksi. Gambar dua dimensi diambil di rotasi yang berbeda dikonversikan menjadi model tiga-dimensi dari kepadatan elektron dalam kristal dengan menggunakan metode matematis dari transformasi Fourier, dikombinasikan dengan data kimia yang dikenal sebagai sampel. Resolusi rendah (ketidakjelasan) atau bahkan kesalahan dapat berakibat jika kristal
terlalu
kecil,
atau
tidak
cukup
seragam
internal
makeup
mereka.
X-ray kristalografi terkait dengan beberapa metode lain untuk menentukan struktur atom. Pola difraksi yang sama dapat diproduksi oleh hamburan elektron atau neutron, yang juga ditafsirkan sebagai Fourier Transform. Jika kristal tunggal dengan ukuran yang memadai tidak dapat diperoleh, berbagai metode X-ray lain dapat diterapkan untuk mendapatkan informasi lebih rinci, metode tersebut meliputi difraksi serat, difraksi sudut hamburan sinar-X kecil dan serbuk (SAXS). Jika bahan yang diperiksa hanya tersedia dalam bentuk serbuk nanokristalin atau kristalinitas rendah, metode kristalografi elektron dapat diterapkan untuk menentukan struktur atom.
Untuk semua metode X-ray difraksi tersebut di atas, hamburan tersebut adalah elastis, penyebaran X-rays memiliki panjang gelombang yang sama dengan sinar-X yang masuk. Sebaliknya, inelastis sinar-X metode hamburan berguna dalam mempelajari Eksitasi sampel, dari distribusi atom nya.
Metode ini ini juga dapat digunakan untuk mengidentifikasi hidrokarbon yang ada dalam batuan sedimen
Tabel 1. Hasil analisis batuan sedimen dengan menggunakan metode XRF (Kelly dkk, 2007)
1.1
Kesimpulan
Berdasarkan tinjauan pustaka yang telah diuraikan XRD dapat digunakan untuk menentukan sistem kristal. Metode difraksi sinar-X dapat menerangkan parameter kisi, jenis struktur, susunan atom yang berbeda pada kristal, adanya ketidaksempurnaan pada kristal, orientasi, butir-butir dan ukuran butir.
Daftar Pustaka Grant, N. M., & Suryanayana, C. (1998). X-Ray Diffraction : A Partical Approach. New York: Plennum Press. Smallman, R., & Bishop, R. (1999). Modern Physics Metallurgy and Materials Engineering. Oxford: Butterworth-Heinemann. Suharyana. (2012). Dasar-Dasar Dan Pemanfaatan Metode Difraksi Sinar-X. Surakarta: Universitas Sebelas Maret. Taqiyah, R. (2012). Perbandingan Struktur Kristal dan Morfologi Lapisan Tipis Barium Titanat (BT) dan Barium Zirkonium Titanat (BZT) yang ditumbuhkan dengan Metode SolGel. Surakarta: Skripsi, Fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret. Widyawati, N. (2012). Analisa Pengaruh Heating Rate terhadap tingkat Kristal dan Ukuran Butir Lapisan BZT yang Ditumbuhkan dengan Metode Sol Gel. Surakarta: Universitas Sebelas Maret. Zulianingsih, N. (2012). Analisa Pengaruh Jumlah Lapisan Tipis BZT yang ditumbuhkan dengan Metode Sol Gel terhadap Ketebalan dan Sifat Listrik (Kurva Histerisis). Surakarta: Universitas Sebelas Maret.
