Spektroskopi Difraksi Sinar-X (X-ray difraction/XRD)

Spektroskopi difraksi sinar-X (X-ray difraction/XRD) merupakan salah

satu metoda karakterisasi material yang paling tua dan paling sering digunakan

hingga sekarang. Teknik ini digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin

dalam material dengan cara menentukan parameter struktur kisi serta untuk

mendapatkan ukuran partikel

Difraksi sinar-X terjadi pada hamburan elastis foton-foton sinar-X oleh

atom dalam sebuah kisi periodik. Hamburan monokromatis sinar-X dalam fasa

tersebut memberikan interferensi yang konstruktif. Dasar dari penggunaan

difraksi sinar-X untuk mempelajari kisi kristal adalah berdasarkan persamaan

Bragg :

n.λ = 2.d.sin θ ; n = 1,2,...

Dengan λ adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan, d adalah

jarak antara dua bidang kisi, θ adalah sudut antara sinar datang dengan bidang

normal, dan n adalah bilangan bulat yang disebut sebagai orde pembiasan.

Berdasarkan persamaan Bragg, jika seberkas sinar-X di jatuhkan pada

sampel kristal, maka bidang kristal itu akan membiaskan sinar-X yang memiliki

panjang gelombang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut. Sinar

yang dibiaskan akan ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan sebagai

sebuah puncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel,

makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap puncak yang muncul

pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu

dalam sumbu tiga dimensi. Puncak-puncak yang didapatkan dari data pengukuran

ini kemudian dicocokkan dengan standar difraksi sinar-X untuk hampir semua

jenis material. Standar ini disebut JCPDS.

Keuntungan utama penggunaan sinar-X dalam karakterisasi material

adalah kemampuan penetrasinya, sebab sinar-X memiliki energi sangat tinggi

akibat panjang gelombangnya yang pendek. Sinar-X adalah gelombang

elektromagnetik dengan panjang gelombang 0,5-2,0 mikron. Sinar ini dihasilkan

dari penembakan logam dengan elektron berenergi tinggi. Elektron itu mengalami

perlambatan saat masuk ke dalam logam dan menyebabkan elektron pada kulit

atom logam tersebut terpental membentuk kekosongan. Elektron dengan energi

yang lebih tinggi masuk ke tempat kosong dengan memancarkan kelebihan

energinya sebagai foton sinar-X.

Metode difraksi sinar X digunakan untuk mengetahui struktur dari lapisan

tipis yang terbentuk. Sampel diletakkan pada sampel holder difraktometer sinar X.

Proses difraksi sinar X dimulai dengan menyalakan difraktometer sehingga

diperoleh hasil difraksi berupa difraktogram yang menyatakan hubungan antara

sudut difraksi 2θ dengan intensitas sinar X yang dipantulkan. Untuk difraktometer

sinar X, sinar X terpancar dari tabung sinar X. Sinar X didifraksikan dari sampel

yang konvergen yang diterima slit dalam posisi simetris dengan respon ke fokus

sinar X. Sinar X ini ditangkap oleh detektor sintilator dan diubah menjadi sinyal

listrik. Sinyal tersebut, setelah dieliminasi komponen noisenya, dihitung sebagai

analisa pulsa tinggi. Teknik difraksi sinar x juga digunakan untuk menentukan

ukuran kristal, regangan kisi, komposisi kimia dan keadaan lain yang memiliki

orde yang sama.

SUMBER DAN SIFAT SINAR X

Tabung sinar-X

Pada umumnya, sinar diciptakan dengan percepatan arus listrik, atau setara

dengan transisi kuantum partikel dari satu energi state ke lainnya. Contoh : radio (

electron berosilasi di antenna) , lampu merkuri (transisi antara atom)

Ketika sebuah elektron menabrak anoda :

1. Menabrak atom dengan kecepatan perlahan, dan menciptakan radiasi

bremstrahlung atau panjang gelombang kontinyu

2. Secara langsung menabrak atom dan menyebabkan terjadinya transisi

menghasilkan panjang gelombang garis

Sinar X merupakan radiasi elektromagnetik yang memiliki energi tinggi

sekitar 200 eV sampai 1 MeV. Sinar X dihasilkan oleh interaksi antara berkas

elektron eksternal dengan elektron pada kulit atom. Spektrum Sinar X memilki

panjang gelombang 10-5 – 10 nm, berfrekuensi 1017 -1020 Hz dan memiliki

energi 103 -106 eV. Panjang gelombang sinar X memiliki orde yang sama dengan

jarak antar atom sehingga dapat digunakan sebagai sumber difraksi kristal.

Difraksi Sinar X merupakan teknik yang digunakan dalam karakteristik

material untuk mendapatkan informasi tentang ukuran atom dari material kristal

maupun nonkristal. Difraksi tergantung pada struktur kristal dan panjang

gelombangnya. Jika panjang gelombang jauh lebih dari pada ukuran atom atau

konstanta kisi kristal maka tidak akan terjadi peristiwa difraksi karena sinar akan

dipantulkan sedangkan jika panjang gelombangnya mendekati atau lebih kecil

dari ukuran atom atau kristal maka akan terjadi peristiwa difraksi. Ukuran atom

dalam orde angstrom (Å) maka supaya terjadi peristiwa difraksi maka panjang

gelombang dari sinar yang melalui kristal harus dalam orde angstrom (Å).

Skema Tabung Sinar X

Sinar X dihasilkan dari tumbukan antara elektron kecepatan tinggi dengan

logam target. Dari prinsip dasar ini, maka alat untuk menghasilkan sinar X harus

terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu :

a. Sumber elektron (katoda)

b. Tegangan tinggi untuk mempercepat elektron

c. Logam target (anoda)

Ketiga komponen tersebut merupakan komponen utama suatu tabung sinar X.

Skema tabung sinar X dapat dilihat pada Gambar

KOMPONEN DALAM XRD

Komponen XRD ada 2 macam yaitu:

1. Slit dan film

2. Monokromator

Sinar-X dihasilkan di suatu tabung sinar katode dengan pemanasan kawat

pijar untuk menghasilkan elektron-elektron, kemudian electron-elektron tersebut

dipercepat terhadap suatu target dengan memberikan suatu voltase, dan

menembak target dengan elektron. Ketika elektron-elektron mempunyai energi

yang cukup untuk mengeluarkan elektron-elektron dalam target, karakteristik

spektrum sinar-X dihasilkan. Spektrum ini terdiri atas beberapa komponen-

komponen, yang paling umum adalah Kα dan Kβ. Ka berisi, pada sebagian, dari

Kα1 dan Kα2. Kα1 mempunyai panjang gelombang sedikit lebih pendek dan dua

kali lebih intensitas dari Kα2. Panjang gelombang yang spesifik merupakan

karakteristik dari bahan target (Cu, Fe, Mo, Cr). Disaring, oleh kertas perak atau

kristal monochrometers, yang akan menghasilkan sinar-X monokromatik yang

diperlukan untuk difraksi. Tembaga adalah bahan sasaran yang paling umum

untuk diffraction kristal tunggal, dengan radiasi Cu Kα =05418Å. Sinar-X ini

bersifat collimated dan mengarahkan ke sampel. Saat sampel dan detektor diputar,

intensitas Sinar X pantul itu direkam. Ketika geometri dari peristiwa sinar-X

tersebut memenuhi persamaan Bragg, interferens konstruktif terjadi dan suatu

puncak di dalam intensitas terjadi. Detektor akan merekam dan memproses isyarat

penyinaran ini dan mengkonversi isyarat itu menjadi suatu arus yang akan

dikeluarkan pada printer atau layar komputer.

PROSEDUR DIFRAKSI SINAR X

Percobaan dengan menggunakan difraksi sinar X kebanyakan terbatas pada

zat padat saja. Hasil yang paling baik akan diperoleh apabila digunakan satu

kristal tunggal. Tetapi, percobaan difraksi sinar ini dapat pula dilakukan dengan

menggunakan padatan dalam bentuk serbuk yang sebenarnya terdiri dari kristal-

kristal yang sangat kecil. Atau dapat juga menggunakan padatan dalam bentuk

kumparan yang biasa digunakan untuk menentukan struktur molekul yang

mempunyai ukuran yang sangat besar, seperti DNA, protein, dan sebagainya.

Alat yang digunakan untuk mengukur dan mempelajari difraksi sinar X

dinamakan Goniometer. Pada metoda kristal tunggal, sebuah kristal yang

berkualitas baik diletakkan sedemikian rupa sehingga dapat berotasi pada salah

satu sumbu kristalnya. Ketika kristal itu diputar pada salah satu sumbu putar,

seberkas sinar X monokromatik dipancarkan ke arah kristal. Ketika kristal

berputar, perangkat-perangkat bidang yang ada dalam kristal berurutan akan

memantulkan berkas sinar X. berkas sinar X yang dipantulkan ini kemudian

direkam pada sebuah piringan fotografik. Jika yang digunakan piringan datar,

akan diperoleh suatu pola seperti terlihan pada gambar dibawah ini. tetapi apabila

yang digunakan adalah film fotografik yang lengkung berbentuk silinder dengan

kristal yang diuji terletak ditengah silinder, maka akan diperoleh suatu deretan

spot yang berbentuk garis lurus sehingga pengukuran akan menjadi semakin

mudah.

Gambar Difraksi sinar X menggunakan metode rotasi kristal

Masalah utama dalam metoda difraksi sinar X ini adalah bagaimana

menghubungkan pola spot yang diperoleh dengan posisi ion atau atom dalam unit

sel. Memang dari jarak antar spot, kita dapat mengetahui dimensi unit sel, tetapi

letak atom atau ion dalan unit sel sangat sulit ditentukan . Salah satu cara untuk

mengatasi hal diatas adalah dengan jalan mula-mula kita menduga struktur

molekul dan kemudian memperkirakan difraksi sinar X yang mungkin diperoleh.

Difraksi sinar X yang kita perkirakan kemudian kita bandingkan dengan hasil

percobaan. Adanya perbedaan antara pola difraksi hasil perkiraan dan hasil

percobaan menunjukkan struktur molekul yang kita perkirakan masih salah

dengan membandingkan kedua pola difraksi, kita dapat membuat perbaikan-

perbaikan sehingga hasilnya diperoleh struktur molekul yang tepat, tetapi dalam

beberapa kasus, misalnya apabila jumlah atom dalam unit sel sangat banyak,

metode diatas menjadi tidak parktis lagi. Dalam kasus seperti ini biasanya posisi

atom atau ion ditentukan berdasarkan intensitas relatif dari spot yang diasilkan.

Ketika sinar X menumbuk kristal, sebenarnya elektron yang terdapat di

sekeliling atom atau ionlah yang menyebabkan terjadinya pemantulan. Makin

banyak jumlah elektron yang terdapat disekeliling atom pada suatu bidang, makin

besar intensitas pemantuklan yang disebabkan oleh bidang tersebut dan akan

mengakibatkan makin jelasnya spot yang terekam dalam film. Dengan

menggunakan metode sintesis fourier, kita dapat menghubungkan intensitas spot

dengan kepekatan distribusi elektron dalam unit sel. Dengan mengamati

kepekatan dalam unit sel, kita dapat menduga letak atom dalam unit sel tersebut.

Atom akan terletak pada daerah-daerah yang mempunyai kepekatan distribusi

elektron maksimum.

Dengan menggunakan metode difraksi sinar X, struktur molekul yang sangat

kompleks dapat ditentukan. Misalnya struktur DNA yang sangat kompleks dapat

ditentukan dengan metode sinar X seperti yang telah dilakukan oleh Crick,

Wilkins dan Watson

PETUNJUK PENGGUNAAN, PENYIAPAN SAMPLE

Ambil sepersepuluh berat sample (murni lebih baik)

Gerus sample dalam bentuk bubuk. Ukuran kurang dari ~10 μm atau 200-

mesh lebih disukai

Letakkan dalam sample holder

Harus diperhatikan agar mendapatkan permukaan yang datar dan

mendapatkan distribusi acak dari orientasi-orientasi kisi

Untuk analisa dari tanah liat yang memerlukan single orientasi, teknik-

teknik yang khusus untuk persiapan tanah liat telah diberikan oleh USGS

Pengumpulan Data

Intensitas sinar-X yang didifraksikan secara terus-menerus direkam sebagai

contoh dan detektor berputar melalui sudut mereka masing-masing. Sebuah

puncak dalam intensitas terjadi ketika mineral berisi kisi-kisi dengan d-spacings

sesuai dengan difraksi sinar-X pada nilai θ Meski masing-masing puncak terdiri

dari dua pemantulan yang terpisah (Kα1 dan Kα2), pada nilai-nilai kecil dari 2 θ

lokasi-lokasi puncak tumpang-tindih dengan Kα2 muncul sebagai suatu gundukan

pada sisi Kα1. Pemisahan lebih besar terjadi pada nilai-nilai θ yang lebih tinggi .

KEGUNAAN DAN APLIKASI

Kegunaam dan aplikasi XRD:

Membedakan antara material yang bersifat kristal dengan amorf

Membedakan antara material yang bersifat kristal dengan amorf.

Mengukur macam-macam keacakan dan penyimpangan kristal.

Karakterisasi material kristal

Identifikasi mineral-mineral yang berbutir halus seperti tanah liat

Penentuan dimensi-dimensi sel satuan

Dengan teknik-teknik yang khusus, XRD dapat digunakan untuk:

1. Menentukan struktur kristal dengan menggunakan Rietveld refinement

2. Analisis kuantitatif dari mineral

3. Karakteristik sampel film

KEUNTUNGAN DAN KERUGIAN DARI XRD KRISTAL DAN BUBUK

1. Kristal Tunggal

- Keuntungan

Kita dapat mempelajari struktur kristal tersebut.

- Kerugian

Sangat sulit mendapatkan senyawa dalam bentuk kristalnya

2. Bubuk

- Kerugian

Sulit untuk menentukan strukturnya

- Keuntungan

Lebih mudah memperoleh senyawa dalam bentuk bubuk

DAFTAR PUSTAKA

I.chorkendroff, J.W. Niemantsverdiet. Concepts of Modern Catalysis and

Kinetics. Wliey-VCH GmbH&Co. New York. 2003. Hal 143 -147

http://ardiannisworld.blogspot.com/2008/01/difraksi-neutron_31.htm

http://www.chem-is-try.org/

http://labinfo.files.wordpress.com

http://serc.carleton.edu/