p~ ~ N~ H~ N~ ~ ~ Yo Kt 3, ISSN 1410-')~g~

REFINEMENT KOMP ARA TIF DATA INTENSIT AS DIFRAKSI NEUTRONCUPLIKAN ST ANDAR TIO2 DENGAN PROGRAM RIET AN DAN GSAS

Supandi, Agus Purwanto, Abarrul Ikrarn clan M.R. Muslih

Puslitbang Iptek Bahan -BA TAN, Kawasan Puspiptek Serpong Tangerang

ABSTRAK

REFINEMENT KOMPARATIF DATA INTENSITAS DIFRAKSI NEUTRON CUPLIKAN STANDAR Ti02 DENGAN PROGRAM RIETANDAN GSAS. T elah dilakukan refinement panjang gelombang Difraktometer Neutron dari data intensitas difraksi dengan menggunakan programRIET AN dan GSAS. Intensitas difraksi dari standar TiO2 diukur dengan Difraktometer Neutron (DN1-M). Hasil terbaik dari refinement pola difraksi,menunjukkan keberadaan dua harga reliabilitas (Rwp) dengan program Rietan dan GSAS berturut-turut diperoleh Rwp berbeda yakni 11 ,99 ~odan 8,17 %. Dari analisis kedua program diperoleh panjang gelombang yang berbeda masing-masing A = 1, 87665 A untuk RIET AN dan A = 1,88265 A untuk GSAS. Lambda A = 1, 88265 A adalah yang terbaik dari hasil refinement GSAS dan disarankan untuk digunakan sebagai acuan

pada kegiatan percobaan selanjutnya.

ABSTRACT

COMPARATIVE REFINEMENT OF NEUTRON DIFFRACTION INTENSITY DATA FROM TI02 STANDARD SAMPLE USING RIETANAND GSAS PROGRAMS. Wavelength of Neutron Diffractometer has been refined from diffraction intensity data using RIETAN and GSASprogram. The diffraction intensity data were obtained from TiO2 standard sample measured by using Neutron Diffractometer (PD1-M). The bestRwp value from this refinement were 11.99 % with ]I. = 1. 87665 A and 8.17 % with ]I. = 1. 88265 A by RIETAN and GSAS respectively.According to this result, it is suggested that the wavelength obtained by GSAS should be as the reference for any further experiments.

PENDAHULUAN

Pada tabun 1987 Difraktometer Neutron Serbuktelah dipasang pada lubang berkas neutron S-6 ReaktorSerba Guna G.A Siwabessy-BATAN Serpong.Selanjutnya difraktometer ini dikenal sebagaiDifraktometer Neutron JICA sebagai penghargaan atassumbangan JICA. Pada saat itu digunakan sistimmonokromator kristal tunggal Pyrolitic Graphite (PG-002) clan dipilih panjang gelombang neutron A = 1,505

A dengan sudut take-off monokromator diset pada 2theta= 25,84°. Engkir Sukirman, dkk [I] telah

mengoperasikan, mengkalibrasi daD melakukan uji cobaterhadap difraktometer ini dengan menggunakancuplikan standar AI2O3 daD Ni. Data intensitas difraksidianalisis dengan metode Rietveld. Dari basil analisisRietveld diperoleh harga Rp (dilaporkan harga R-poladifraksi) yang berbeda yakni 19,98% clan daD 7,38%berturut-turut untuk Al2O3 (tinggi) daD Ni (rendah).

Pada tabun 1995, melalui kerja sarna BAT AN-JAERI telah dilakukan modifikasi peralatanDifraktometer Serbuk (PD) menjadi peralatanDifraktometer untuk pengukuran tegangan sisa (DN 1-M). Sistim monokromator PG(OO4) yang dipakai adalah

sistim kristallengkung PG (004). Prasuad, Gunawan, dkk[2] telah mengkalibrasi panjang gelombang denganmenggunakan cuplikan serbuk Ni daD diperoleh panjanggelombang neutron A = 1,923 A. Andika Fajar, Prasuad,

dkk [3] telah mengadakan percobaan pada bahan BajaLasan menggunakan Difraktometer Neutron (DN I-M)ini. Pengukuran dilakukan pada indeks Miller bidangrefleksi (110), daD panjang gelombang neutron sepertitersebut diatas yakni A = 1,923 A. Dari basil penelitian

dilaporkan bahwa analisis tegangan sisa dengan teknikdifraksi neutron dapat digunakan dengan basil yang baik.

Pada tahun 1999 atas bantuan JAERI JepangDN I-M telah dikembangkan untuk mengukur tegangansisa dengan menukar detektomya [4]. Daripengembangan alat ini, penulis dan kawan-kawanmencoba mengkalibrasi alat ini dengan menggunakancuplikan standar TiOz dan program GSAS dengan tujuanuntuk mengoreksi panjang gelombang DifraktometerNeutron (DNI-M) yang selama ini didapat dengall caracoba-coba menggunakan program RIET AN.

Selain standar AlzO3 daD Ni, standar TiOz dapatdipakai juga untuk mengkalibrasi peralatan difraksi

107~, 2" J : 2000

R~~ ~ ,~ ~ Nu-t.- C~.fl~~" ~ T~02 ~ p~ R~ ~ GSA5~~.

neutron. Berdasarkan referensi W.H Baur and A.A. Khan[5], TiO2 (Rutil) memiliki data parameter struktur sepertiterlihat pada Tabel I. Data ini akan digunakan sebagaiacuan data masukan untuk analisis Rietveld.

Rietveld dengan cara refinement parameter profil dariintensitas difraksi neutron bahan cuplikan yang sarnayakni standar TiO2 (Rutil). Penelitian ini bertujuan untuk

mengoreksi panjang gelombang Difraktometer NeutronJICA (DNI-M) dengan teknik Rietveld yangmenggunakan program RlET AN clan hasilnyadibandingkan dengan basil analisis yang menggunakanprogram GSAS.

Tabel1. Data parameter struktur TiO2 fasa tunggalreferensi : W.H. Baur,[5) )

Tabel 3. Data parameter struktur TiO2hasil refinement [8]

Laporan ON-THE-JOB TRAINING (OJT) INNEUTRON BEAM RESEARCH [6] telahmencantumkan basil refinement TiO2 dari data intensitasdifraksi menggunakan HRPD dengan data struktur

(Tabel 2). BAHAN DAN TATA KERJA

Tabel 2. Data parameter struktur TiO2 (Rutil)hasil refinement fasa tunggallaporan pengukuran

dengan HRPD (daya = 25 MW)

Bahan dan AlatBahan dan alai-alai yang digunakan dalam percobaan iniadalah :.Cuplikan standar TiO2 (Rutil) SRM dari ANSTO

Australia..Difraktometer Neutron JICA (DNl,-M).Program RlETAN.Program GSAS

Tata kerjaCuplikan standar TiO2 berupa rod diletakkan

pada meja cuplikan (sample table) DNI-M, danpengukuran dilakukan dengan cara 2T 51 Scan. Panjanggelombang neutron sementara diasumsikan pada harga A= 1,87960 A, dan lengan monokromator diset pada sudut

70°. Sistim monokromator Si(331) yang digunakanadalah sistim kristal monokromator lengkung vertikal &horizontal yang terdiri dari lima kristal tunggal Silikon.Untuk pengambilan data intensitas difraksi neutrondengan Difraktometer Neutron (DNI-N) dilakukandengan parameter operasi : pencacahan dilakukan padasudut 20 = 32,20°-94,50° dengan selang antara (step

width) 0,1° dan pengukuran intensitas difraksi dilakukandengan preset monitor count 75.000 pada daya reaktor 7-10 MW selama :t 30 jam.

Analisis RietveldAnalisis penghalusan (refinement) dengan

Prograln RIET AN dan GSAS dilakukan dengan caramemasukkan duajenis data yakni data parameter strukturdan intensitas difraksi. Data parameter struktur adalahdata masukan model perhitungan yang diambil darireferensi W.H Baur sebagai acuan. Sedangkan dataintensitas berasal dari intensitas difraksi neutron cuplikanstandar TiO2. Kemudian kedua data parameter strukturdan intensitas difraksi neutron dari cuplikan standar TiO2

Dari hasil refinement diperoleh harga Rwptinggi dan dalam laporan OJT tersebut dikatakan bahwaharga R yang tinggi ini disebabkan oleh statistik datayang jelek. Pacta tahun 1996 Difraktometer NeutronSerbuk Resolusi Tinggi (HRPD) telah dioptimalkandengan menggunakan Monokromator Germanium (Ge-331), sehingga diperoleh efisiensi dan ketelitian yangtinggi dengan panjang gelombang menjadi A = 1,8215

A. Prasuad, dkk [7] melaporkan hasil refinement TiO2dengan RIETAN dan diperoleh harga Rwp dari 15,53 %(PGOO4) menjadi 12,11% (Ge-331) dengan puncak yangtajam dan tinggi.

Dari bahan standar TiO2 yang sarna, C.JHoward [8], dkk telah melakukan percobaan di ANSTO,dan melaporkan data struktur cuplikan standar TiO2 hasilrefinement dengan Rietveld seperti pads Tabel 3.

Dari cuplikan standar TiO2 yang sarna,percobaan di atas temyata memberikan hasil yangbervariasi. Spesifikasi dan data parameter struktur kristalbahan standar TiO2 (Rutil) dimuat pads referensi W.HBaur. Berdasarkan fakta tersebut dan mengacu padsreferensi W.H Baur, penulis dan kawan-kawan mencobamelakukan percobaan dengan cars mengulangi kalibrasislat untuk mengoreksi panjang gelombang neutron padsslat (DNI-M). Metode yang digunakan adalah analisis

108 ~, 2g J~ 2000

R~~ ~ ,~ ~ N~ (!~-:f':!-~~ ~ T~ ~ p~ R~ ~ £;5AS~m.

terse but dianalisis secara terpisah dengan ProgramRIET AN daD GSAS.

lambda dapat dihaluskan(refined). Data struktur TiO2basil refinement dari parameter profile daD lambdadisajikan pada Tabel 4. Tabel 4 adalah data parameterstruktur TiO2 basil refinement dengan GSAS. Terlihatbahwa diperoleh lambda, A= 1,88265 A dan Rwp lebihrendah dibanding dengan RlET AN yakni 8,20 %. Daribasil refinement parameter profile dengan programGSAS, terlihat bahwa pada rasa TiO2, tiap indeks Millerbidang refleksi (hkl) tanda ( I ) pada lambda tersebutterletak tepat dibawah posisi puncak-puncaknya (lihatGambar la).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Data parameter struktur kristal standar TiO2sebagai masukan diambil dari referensi W.H. Baur., dkk(Tabel 1) daD data intensitas difraksi neutron didapat dariDN I-M. Panjang gelombang neutron awal yangdigunakan adalah A = 1,87960 A. Hasil refinement kedua

program disajikan dalam Tabel 4 daD Gambar la untukProgram GSAS sedangkan Tabel 5 daD Gambar 1 b untukProgram RIET AN. Pada proses ini hanya dilakukan

refinement parameter profile, sedangkan terhadap dataparameter struktur tidak dilakukan refinement, karenadata parameter struktur kristal standar TiO2 dianggapsudah baku.

Tabel 4. Data parameter struktur TiO2hasil refinement GSAS

'.G '.G 8.G T.G'"'7""" ~ (a) Dengan GSAS

m 1 ' ! '":--:=:;-,;--i ; i

i ! i RIET AN, I Rwp = 11,99 -

A = 1,87665 A2=0,041 .-

a.a ..0xl~ 1

3(8):

;2!ID;;~ 11m

+-

!

;~TUr=~~-=~;:~&I ~ 00SOOn! 28'

(b) Dengan RIETAN

Gambar 1. Pol a difraksi TiO2 hasil refinementpads skala penuh

Program GSASProses refinement dengan Program GSAS

dilakukan satu kali tahap pengamatan yakni A. =1,87960 A, sama seperti pada analisis dengan programRIET AN. Dengan Program GSAS pada prosesrefinement, selain parameter profile, nilai masukan

Program R/ET ANProses refinement dengan program RIET AN

dilakukan dengan metode pendekatan Trial and Error.Dalam metode ini dilakukan 17 belas kali tahappenghalusan antara /.. = 1,88295 -1,87065 A. Data

struktur TiO2 basil refinement disajikan pada Tabel 5.Hasil refinement Program RIET AN (zero-point

shift, Z=O : unref.) menunjukkan bahwa dari 17 kalipengamatan (Tabel 5), diperoleh harga Rwp terendahyakni 12,14% pada /.. = 1,87665 A clan harga Rwptertinggi yakni 24,85% pada /.. = 1,88295 A. Dari basil

refinement parameter instrument, Z= 0 dengan programRIETAN, harga Rwp = 12,14 % pada /.. = 1,87665 A

adalah yang terbaik.Ketika zero-point shift dihaluskan, didapatkan

basil yang berbeda. Pada zero-point shift, Z =0.041(Z=0:refinement ) pada lambda /.. = 1,87665 A

temyata diperoleh harga Rwp lebih rendah lagi yaknidari 12,14 % menjadi 11,99 % (Gambar Ib). Sedangkanpada /.. = J ,88265 A (Rwp = 11,24 %), /.. = 1,87960 A(11,55 %) dan /.. = 1,87005 A (Rwp = 15,17 %), masing-

masing diperoleh harga Z (refinement) berbeda yakni :0,334,0,166 dan 0,233.

Gambar I, 2, 3 dan 4 adalah profile pola difraksiTiO2 basil refinement dengan GSAS daD RIETAN.Dalam setiap gambar, kurva dengan tanda plus ( + )menyatakan data pengamatan sedangkan kurva dengantanda garis penuh ( -) menyatakan data basil

109~, 2~ J~ 2000

Rf;~",,~/~¥""4 ~ r~.!~_~r,.~ ~ N~ l!~.~~.. ~ 1;'02 ~ p~ ~ J- G5A5~m.

program tersebut. Analisis program RIET AN dilakukandengan metode pendekatan trial and error (sepertidilakukan pada alat HRPD terdahulu, sebelum adaprogram GSAS), sedangkan program GSAS dapatmelakukan refinement pada data masukan lambdanya.Untuk penggunaan lambda yang cocok pada kegiatanpenelitian berikutnya, penulis menyarankan untukmemilih lambda daTi hasil analisis dengan menggunakanGSAS.

«IX) ---I ~

:!(D) ;

«01, r-- --i.-. !~ _.: ~--

;1l1li

1"""'~""""'~""""'6iJ""""'~""""'~"'"""90"'"SUdot 21'

(b) A = 1,87960A (Rwp=15,88)

jllm

~ 1..~:., ,.~., ,.~.., ~ ".~.,.....c ..." Slid_! ZI .

(8) A = 1,88265 A (Rwp = 11,24)

«XX) -; ' ---

~ : a : ~__"b_kw..ll", :, : 1..1.I7~A31m -:-- .--j" ;

2OD

IIXKI

; r

!

-A

J.

oJ

~~E~r~~""""'CJ"""""-~""""'ii""""';b""""'8I'" ~ SudOl 28 .

(b) I.. = 1,67960 A (Rwp = 11,55)

: ,. .',.iii-A"'..: hp.IL"

, t"""."""..i""."."".."i"." ~ A 2aJI ', .'-'~"-~'""'.'""~""~"".~.""."'f'.'

~ 11m

i;

---+" ,--:, ,.~- --!---~' II.--;J\r

, ,1., 4t"".""~"""'.'~""""',iI""."'.8J"..'."'9iJ..'"Sudul 2'.

(d) A = 1,88265A (Rwp=24,O6)

Gambar 3. Profil TiO2 hasil refinement utuk Z= 0dan tidak dihaluskan

'-IJ~:~C,- ; ;--:.-- -...-itJ ;, : ~-.~-:,~~j 1..:~ : : """"~"""""~""""'ii""""'~""""'~'c'"'c,.,...,'

Sudut 2"

(C) A. = 1,87665 A (Rwp = 11,99)

IlXXJ 1---""--;-"""-"""""" -,"", i , : ~--.kWf.~11

:!1m ---". 1".'..'.. ,t ~ :... ; .' ..! I..I~A'

B2IDJ

j 11m

!

V' i.I\.,-- ,.,

-~:

b""""'~"'"

,..-tc':--NI

'"

~

Gambar 4. Profil TiO2 hasil refinementuntuk Z = 0,041 dan tidak dihaluskan

Gambar 4 adalah profil pola difraksi TiO2 basilrefinement RIET AN dengan parameter instrumen, Z =

0,041 (Z=O : refinement). Pola difraksi daTi keempatproses disajikan pacta Gambar 4 a, b, c dan d denganpanjang gelombang neutron berturut-turut A = 1,88265 A(Rwp=II,24 %), A = 1,87960 A (Rwp= 11,55 %), A =1,87665 A (Rwp=II,99 %), dan A = 1,87005 A (Rwp =15,17%). Dari keempat pola difraksi tersebut A =

1,87005 A (Rwp=15,17 %) memberikan basil terburuk,ditunjukkan dengan kasarnya garis kurva perbedaan(Gambar 4d). Sedangkan pola difraksi dengan A =

1,87665 A (Rwp=II,99 %) memberikan basil yangterbaik. Hal ini ditunjukkan oleh garis kurva perbedaanyang rata daD posisi bidang refleksi (indeks Miller)terletak tepat di bawah puncak-puncaknya. Inimenyatakan bahwa basil perhitungan daD hasil percobaanmendekati kecocokan (Gambar 4c).

Dari basil pengamatan ini tampak jelas adanyaperbedaan yang signifikan antara basil analisis GSASdan RIET AN. Hasil analisis GSAS dengan lambda A =

1,88265 A, memberikan Rwp= 8,20 % yang lebih rendahdibandingkan dengan basil analisis RIETAN yakni Rwp=11,99 %, dengan A = 1,87665 A. Hal ini mungkin

disebabkan oleh perbedaan teknik analisis daTi kedua

KESIMPULAN

Dari hasil analisis data difraksi neutron cuplikanstandar TiO2 dengan metode Rietveld dengan keduaprogram RIET AN clan GSAS dapat disimpulkan :

111~I 2g J 2000

,('~~ ~ ,~ ~ ~ ~ ~T~ ~ p~ R~ ~ liSAS~~.

basil refinement program RIET AN menghasilkanpanjang gelombang neutron, A = 1,87665 A dengan

harga Rwp yakni 11,99 %.basil refinement program GSAS menghasilkanpanjang gelombang neutron, A = 1,88265 A dengan

harga Rwp lebih rendah yakni 8,20 %.

SARAN

Berdasarkan basil refinement GSAS, diperolehlambda }.. = 1,88265 A, yang lebih baik dalam proses

analisis dan harga Rwpnya, maka disarankan agarlambda tersebut yang dipakai untuk pengembangan

penelitian selanjutnya.

UCAP AN TERIMA KASIH

Para penulis mengucapkan terima kasih kepada kepalaP3IB-BATAN atas bantuan daD dorongannya. Tidak lupapula ucapan terima kasih ditujukan kepada semua stardaD teknisi Balai Spektrometri yang telah membantu daDbekerja keras hingga penelitian ini selesai.

BA TAN, Progress Report, Hamburan Neutron,PPSM-BATAN, Volume I, 1996, halo 43-46

[3] ANDIKA FAJAR., dkk, Analisis tegangan sisapada daerah terpengaruh panas baj~ lasanmenggunaka.'1 teknik difraksi neutron, ProgressReport, Hamburan Neutron, PPSM-BATAN,Volume I, 1996, halo 6

[4] ABARRUL IKRAM., Pemanfaatan Neutron UntukKarakterisasi Bahan, Prosiding Pertemuan IlmiahIlmu Pengetahuan clan Teknoligi Bahan'99, P3IB-BATAN, Puspiptek Serpong Tangerang, 15314,19-20 Oktober 1999, halo 22-28

[5] ANONIM., Report On-The-Job Training (OJT) inNeutron Beam Research, BATAN-STA-JAERI,SerpongNov. 22 -29,1993, halo 4-8

[6] ANONIM., Report On-The-Job Training (OJT) inNeutron Beam Research, BAT AN-ST A-JAERI,SerpongNov. 22 -29,1994, halo 14-18

[7] PRASUAD., dkk, Karakterisasi difraktometerneutron serbuk resolusi tinggi (HRPD, DN3 )PPSM-BA TAN, Progress Report, HamburanNeutron, PPSM-BATAN, Volume I, 1996, halo 36-42

[8] MARSONGKOHADI., dkk, Improvement Of TheHight-Resolution Powder Diffractometer (HRPD)at Progress Report, Hamburan Neutron, PPSM-BAT AN, Volume I, 1996,hal. 47-49

[9] PRASUAD., dkk, Pengembangan DifraktometerNeutron Untuk Pengukuran Tegangan Sisa,Progress Report, Hamburan Neutron, PPSM-BAT AN, Volume I, 1996, halo 5.

DAFTARPUSTAKA

[I]

[2]

ENGKIR SUKIRMAN., dkk, KalibrasiDifraktometer Neutron JICA, Progress Report,Hamburan Neutron, PPSM-BATAN, Volume I,1996, halo 1-4W.PRASUAD., dkk, daD Y.Hamaguchi danN .Minakawa, Optimasi Difraktometer NeutronSerbuk Resolusi Tinggi (HRPD, DN3) PPSM-

TANYA-JAWAB

Penanya : Nani S. (P3TIR-BATAN)1. Apakah bedanya GSAS dengan RIET AN ?

JawabanPersamaan GSAS dan RIETAN adalah suatu paket perangkat lunak (softwareO komputer yang telahdikembangkan dan dimodifikasi penggunaannya dalam metode analisis Rietveld untuk menganalisis strukturbahan dari data difraksi neutron maupun difraksi sinar-X. Sedangkan perbedaannya adalah, program GSASadalah tekniklmetode analisis Rietveld yang telah dimodifikasi dan dikembangkan oleh Allen,C larson danRobert .B.Dreele. Program RIETAN adalah tekniklmetode analisis Rietveld yang telah dimodifikasi dandikembangkan oleh F.Izumi

Penanya: Lely.H (P3TIR -BATAN)1. Apakah bahan standar TiO2 bisa diganti dengan bahan lain?

Jawaban :1. Selain bahan standar TiO2, bahan lain seperti betha Alumina, Ni dan lain-lain yang bersifat kristalin dapat

juga digunakan

Penanya: Dian (P3TIR -BATAN)1. Difraksi Neutron bisa untuk mengukur apa saja ?2. Mengapa hanya dua program yang dipakai ?

~, 2'1 J-.: 2000112

R~~ ~ ,~ ~ Nc..t-.- ~ ~ T~OZ ~ p~ ~~ k.. GSAS~ JJtJt..

Jawaban

Difraksi Neutron didasarkan pada penggunaan prinsip Bragg yaitu prinsip yang menghubungkan panjanggelombang, keteraturan dalam bahan dan sudut difraksinya. Penggunaan praktis antara lain:0<} Analisis struktur, misalnya penentuan rasa-rasa dalam logam atau mineral. Dapat juga menentukan rasa-rasa

minoritasnya.0<} Hamburan difus dapat digunakan goneometer Euler yang dapat menentukan kesempurnaan bahan kristal0<} Dengan menambah suatu goneometer Euler dapat ditentukan tekstur bahan0<} Dengan menambah perangkat lunak khusus dapat diukur regangan dalam bahan sehingga dapat ditentukan

tegangan internal.

2.

Program GSAS dan RIETAN yang tersedia di P3IB-BATAN

13~, 2g J~ 2000