macam-macam karakterisasi material

8/15/2019 Macam-macam Karakterisasi Material

1/9

Jurnal Nanosains & Nanoteknologi ISSN 1979-0880 Vol. 2 No.1, Februari 2009

Review: Karakterisasi Nanomaterial

Mikrajuddin Abdullah(a)

dan Khairurrijal Laboratorium Sintesis dan Fungsionalisasi Nanomaterial

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, ITB Jalan Ganeca 10 Bandung 40132

(a) E-mail: [email protected]

Diterima Editor : 20 Mei 2008 Diputuskan Publikasi : 2 Juni 2008

Abstrak

Pada paper ini akan dibahas sejumlah metode karakterisasi yang biasa digunakan dalam penelitian nanomaterial.

Kata Kunci: SEM, TEM, AFM, XRD, BET

1. Pendahuluan

Riset nanomaterial, khususnya bidang eksperimen,tidak bisa lepas dari kegiatan karakterisasi atau

pengukuran. Dengan karakterisasi kita bisa yakin bahwamaterial yang disintesis sudah memenuhi kriteriananostruktur, yaitu salah satu dimensinya berukurannanometer. Dalam kesepakatan umum sampai saat ini,dimensi nanometer adalah ukuran yang kurang dari 100nm. Karakterisasi juga memberikan informasi tentangsifat-sifat fisis maupun kimiawi nanomaterial tersebut. Ini

sangat penting karena ketika dimensi material menujunilai beberapa nanometer (kurang dari 10 nm), banyaksifat fisis maupun kimiawi yang bergantung pada ukuran.Ini menghasilkan sejumlah kekayaan sifat dan peluangmemanipulasi atau menggenerasi sifat-sifat baru yangtidak dijumpai pada material ukuran besar (bulk).

2. Scanning electron micrsocopy (SEM)SEM adalah salah satu jenis mikroskop elektron

yang menggunakan berkas elektron untuk menggambar profil permukaan benda. Prinsip kerja SEM adalahmenembakkan permukaan benda dengan berkas elektron

bernergi tinggi seperti diilustrasikan pada Gbr. 1.

Permukaan benda yang dikenai berkas akan memantulkankembali berkas tersebut atau menghasilkan elektronsekunder ke segala arah. Tetapi ada satu arah di mana berkas dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Detektordi dalam SEM mendeteksi elektron yang dipantulkan dan

menentukan lokasi berkas yang dipantulkan denganintensitas tertinggi. Arah tersebut memberi informasi profil permukaan benda seperti seberapa landai dan kemana arah kemiringan.

Pada saat dilakukan pengamatan, lokasi permukaan benda yang ditembak dengan berkas elektron

di-scan ke seluruh area daerah pengamatan. Kita dapatmembatasi lokasi pengamatan dengan melakukan zoon-in

atau zoom-out. Berdasarkan arah pantulan berkas pada berbagai titik pengamatan maka profil permukan benda

dapat dibangun menggunakan program pengolahangambar yang ada dalam komputer.

ambar 1 Dalam SEM berkas elektron bernergi tinggi

EM memiliki resolusi yang lebih tinggi daripadamikros

Berkas elektron

Permukaan material

Elektron

pantulan

Berkas elektron

Permukaan material

Elektron

pantulan

Gmengenai permukaan material. Elektron pantulan danelektron sekunder dipancarkan kembali dengan sudutyang bergantung pada profil permukaan material.

Skop optik. Hal ini disebabkan oleh panjang

gelombang de Broglie yang dimiliki elektron lebih pendek daripada gelombang optik. Makin kecil panjanggelombang yang digunakan maka makin tinggi resolusi

mikroskop. Panjang gelombang de Broglie elektron

adalah ph /=λ , dengan h konstanta Planck dan p adalah elektron. Momentum elektron dapatditentukan dari energi kinetik melalui hubungan

m p K 2/2= , dengan K energi kinetik elektron dan m ya.

Dalam SEM

momentum

adalah massan, berkas elektron keluar dari filamen

panas lalu dipercepat pada potensial tinggi V . Akibat percepatan tersebut, akhirnya elekton memiliki energi

1


2/9

J. Nano Saintek. Vol. 2 No. 1, Feb. 2009 2

kinetik eV K = . Dengan demikian kita dapat menulismoment on sebagaium elektr meV p 2= , dan panjang

gelombang de Brogile meV h 2/=λ . Umumnyategangan yang digunakan alah puluhankilovolt. Sebagai ilutrasi, misalkan SEM dioperasikan

pada tegangan 20 kV maka panjang gelombang de

Broglie elektron sekitar 9 × 10-12 m.Syarat agar SEM dapat men

pada SEM ad

ghasilkan citra yangtajam

gam dapat diamati

dengan

ambar 2 Permukaan isolator perlu dilapisi logam agar

Pada metode evaporasi, material yang akan

diamat

proses ini dapat berlangsung efisien maka logam pelapis

Gamb rtikel, (b)anotube, dan (c) partikel yang terorganisasi [1-3].

Prinsip kerja sputtering mirip dengan evaporasi. Namun sputtering dapat berlangsung pada suhu rendah(suhu k

Elektro

adalah permukaan benda harus bersifat sebagai

pemantul elektron atau dapat melepaskan elektronsekunder ketika ditembak dengan berkas elektron.Material yang memiliki sifat demikian adalah logam. Jika permukaan logam diamati di bawah SEM maka profil

permukaan akan tampak dengan jelas. Bagaimana denganmaterial bukan logam seperti isolator?

Agar profil permukaan bukan lo

jelas dengan SEM maka permukaan materialtersebut harus dilapisi dengan logam seperti diilustrasikan pada Gbr. 2 [1-3]. Film tipis logam dibuat pada

permukaan material tersebut sehingga dapat memantulkan berkas elektron. Metode pelapisan yang umumnya

dilakukan adalah evaporasi dan sputtering

Gdapat diamati dengan jelas di bawah SEM.

i permukaanya ditempatkan dalam satu ruang(chamber) dengan logam pelapis. Ruang tersebut dapatdivakumkan dan logam pelapis dapat dipanaskan hinggamendekati titik leleh. Logam pelapis diletakkan di atas

filamen pemanas. Mula-mula chamber divakumkan yangdikuti dengan pemanasan logam pelapis. Atom-atom

menguap pada permukaan logam. Ketika sampai pada permukaan material yang memiliki suhu lebih renda,

atom-atom logam terkondensasi dan membetuk lapisanfilm tipis di permukaan material. Ketebalan lapisan dapat

dikontrol dengan mengatur lama waktu evaporasi. Agar

yang digunakan harus yang memiliki titik lebur rendah.Logam pelapis yang umumnya digunakan adalah emas.

300 nm

3 m3 µm

a

1 µm

b

c

300 nm

3 m3 m3 µm

a

1 µm

b

c

Permukaan materialPermukaan material

Lapisan tipis logam

Pelapisan (coating)

Lapisan tipis logam

Pelapisan (coating)

ar 3 Foto SEM sejumlah sampel: (a) pan

amar). Permukaan logam ditembak dengan ion gas berenergi tinggi sehingga terpental keluar dari permukaanlogam dan mengisi ruang di dalam chamber. Ketika

mengenai permukaan sample, atom-atom logam tersebutmemmebtuk fase padat dalam bentuk film tipis. Ketebalan

lapisan dikontrol dengan mengatur lama waktu sputtering.Pada saat pengukuran dengan SEM, lokasi di

permukaan sample tidak boleh terlalu lama dikenai berkas.n yang berenergi tinggi pada berkas dapat

mencabut atom-atom di permukaan sample sehingga permukaan tersebut akan rusak dengan cepat. Film tipis di


3/9


permukaan sample akan menguap dan kembali menjadiisolator. Akhirnya bayangan yang terekam tiba-tibamenjadi hitam.

Gambar 3 adalah beberapa contoh bayangan

material yang diamati dengan SEM. Seperti pada Gbr.

3(a) ta

enjadi

acuan

Gam

an telitimaka f to SEM difoto copy perbesar beberapa kali lipat

seperti

lah titik tengah jangkauan

dan su

Jangkauan diameter (nm) Jumlah partikel

mpak jelas bahwa ukuran partikel yang dibuat tidakseragam, tetapi bervariasi. Pernyataan selanjutnya adalah bagaimana menentukan distribusi ukuran partikel?

Perhatikan, setiap foto SEM memiliki bar skalayang panjangnya sudah tertentu. Bar tersebut m

penentuan ukuran partikel. Contohnya ada bar yangtertulis panjangnya 0,5 µm. Jika diukur dengan penggarismisalkan panjang bar tersebut adalah 1 cm maka 1 cm pada gambar bersesuaian dengan panjang 0,5 µm ukuransebenarnya. Jika kita mengukur diameter partikel padagambar dengan menggunakan penggaris adalag 2,2 cm

maka diameter riil partikel tersebut adalah (2,2 cm/1 cm)

× 0,5 µm = 1,1 µm.

bar 4 Foto SEM yang difoto copy perbesar.

Agar pengukuran dapat dilakukan dengo

ilustrasi pada Gbr. 4. Kita lakukan pengukuran pada gambar hasil foto copy. Kita lakukan pengukuran

diameter ratusan partikel kemudian membuat tabulasimisalkan seperti pada Tabel 1.Dari Tabel 1 kita buatkan diagram titik dengan

menggunakan sumbu datar ada

mbu vertical adalah jumlah partikel. Diagram yangkita peroleh tampak pada Gbr. 5.

Tabel 1 Tabulasi ukuran partikel

0 0200 4

400 20

600 100

800 150

1000 140

1200 120

1400 80

1600 10

1800 10

siistrubusi log-normal.

fungsi log-normal. Kita pilih

arameter distribusi σ dan

Gambar 5 Diagram sebaran ukuran partikel.

Gambar 6 Fitting hasil pengukuran dengan fungd

Selanjutnya kita fiting titik-titik pada diagramdengan menggunakan

p g

fitting yang paling dekat dengan data pengamatan. Contoh

r yang memberikan kurva

3 m3 µm3 m3 m3 µm0 500 1000 1500 2000

0

40

80

120

160

Diameter partikel (nm)

J u m l a h p a r t i k e l

0 500 1000 1500 2000

0

40

80

120

160



0 500 1000 1500 20000

40

80

120



160

0 500 1000 1500 20000

40

80

120



160


4/9


kurva tampak pada Gbr 6. Da nilai parameter kita dapatmenentukan diameter rata-rata partikel.

SEM yang paling canggih pun yang ada saat initidak sanggup mengamati ukuran partikel dalam orde

beberapa nanometer. Bayangan jelas yang

ri

adalah alat yang paling teliti yang digunakanusinya

Gamanotube.

Gam ngan

. Atomic Force Microscopy (AFM) h yang sederhana

FM juga sangatsederhana dan dapat dipahami hanya dengan konsep-

dapat diperoleh

SEM minimal hanya sekitar 50 nm. Gambar ini pun biasanya diamati dengan field emission SEM (FE-SEM).Di bawah ukuran tersebut SEM memberikan bayanganyang kabur.

3. Transmission Electron Microscopy (TEM)TEM

untuk enentukan ukuran partikel karena resolyang sangat tinggi. Partikel dengan ukuran

m beberapa

nanometer dapat diamati dengan jelas menggunakan TEM.Bahkan dengan high resolution TEM (HR-TEM) kita

dapat mengamati posisi atom-atom dalam partikel.Prinsip kerja TEM sangat mirip dengan prinsip

kerja peralatan rontgen di rumah. Pada peralatan roentgen,gelombang sinar-X menembus bagian lunak tubuh(daging) tetapi ditahan oleh bagian keras tubuh (tulang).Film yang diletakkan di belakang tubuh hanya

menangkap berkas sinar-X yang lolos bagian lunak tubuh.Akibatnya, film menghasilkan bayangan tulang.

Pada TEM, sample yang sangat tipis ditembakdengan berkas electron yang berenergi sangat tinggi(dipercepat pada tegangan ratusan kV). Berkas electrondapat menenbus bagian yang “lunak” sample tetapi

ditahan oleh bagian keras sample (seperti partikel).Detektor yang berada di belakang sample menangkap

berkas electron yang lolos dari bagian lunak sample.

Akibatnya detector menangkap bayangan yang bentuknyasama dengan bentuk bagian keras sample (bentuk partikel).

Dalam pengoperasian TEM yang paling sulitdilakukan adalah mempersiapkan sample. Sampel harus

setipis m

bar 7 Foto TEM partikel dan multi wall carbon

ungkin sehingga dapat ditembus electron.Sampel ditempatkan di atas grid TEM yang terbuat daritembaga atau karbon. Jika sample berbentuk partikel, biasanya partikel didispersi di dalam zat cair yang mudah

menguap seperti etanol lalu diteteskan ke atas grid TEM.Jika sample berupa komposit partikel di dalam material

lunak seperti polimer, komposit tersebut harus diiris tipis(beberapa nanometer). Alat pengiris yang digunakan

adalah microtome.Gambar 7 adalah contoh foto TEM sample partikel

dan carbon nanotube. Dari citra CNT tampak garis-garisadalah barisan atom-atom karbon yang membentuk

dinding multiwall carbon nanotube. Jumlah lapisan kulitdapat ditentukan dengan mudah hanya denganmenghitung jumlah garis pada dinding.

Dengan menggunakan high resolution TEM (HR-TEM) kita dapat menentukan lokasi atom-atom dalam

sample seperti tampak pada Gbr. 8. Titik-titik padagambar tersebut adalah atom-atom penyusun partikel.Dari citra tersebut maka susunan kristal partikel dapatditentukan. Jika sample yang diamati dengan TEM

berbentuk partikel maka distribusi ukuran partikel dapatditentukan dengan cara yang sama dengan menentukn

distribusi ukuran partikel hasil foto SEM.

n

bar 8 Foto semuah nanopartikel demenggunakan HR-TEM.

4 AFM termasuk mikroskop cangi

pengoperasiannya. Prinsip kerja A


5/9


konsp

pada Gbr. 9. Cantilever beserta tipdigerak

.

Gam diamati

den n nanotubeang ditempatkan di atas substrat.

an. Perubahan sudut

antilever menyebabkan perubahan arah sinar pantul. Kedua su

sudut cantlever dapat di ketahui, dan pada akhirnya

tentang dimensi tekstur arah normal (tegaklurus p

sifat fisis semikonduktor tersebut.Bebera a besaran yang bergantung pada lebar celah pitaenergi adalah mobilitas pembawa muatan dalam

pektrumabsorp

an.

p foton. Radiasi yangdiberik

s.

fisika dasar. AFM tidak memerlukan sistem vakum,tegangan tinggi, maupun fasilitas pendingin seperti padaSEM dan TEM.

Perangkat utama sebuah AFM adalah sebuah tip

yang sangat tajam yang ditempatkan di ujung cantilever,

seperti tampakan sepanjang permukaan benda yang diamati.

Dengan adanya tekstur permukaan benda yang tidak ratamaka selama mengerakkan tip sudut kemiringancantilever berubah-ubah. Perubahan sudut tersebut

memberikan informasi kealaman tekstur permukaan benda.

Gambar 9 Contoh tip AFM yang difoto dengan SEM

bar 10 Contoh profil permukaan sample yang

gan AFM. Sampel berupa single wall carboy

Sudut yang dibentuk cantilever ditentukan denganmengarahkan berkas tipis sinar laser ke arah cantileverdan sudut sinar pantul ditentuk

cdut tersebut berkaitan satu dengan lainnya. Dengan

kata lain, dengan mengetahui sudut sinar pantul maka

kedalaman tekstur permukaan benda dapat dketahui.Sudut pantul sinar laser pada berbagai titik scanditentukan. Selanjutnya dengan program pengolahan citrayang ada dalam computer, prfil permukaan sample dapat

dibangun.

Gambar 10 adalah contoh profil permukaan sampleyang diamati dengan AFM. Sampel berupa sebuah carbonnanotube yang dipuntir. Luas permukaan sample yang

diamati adalah 4 µm × 4 µm. AFM memberikan informasiyang teliti

ermukaan) tetapi sering kurang teliti untuk dimensitekstur arah tangensial (sejajar permukaan).

Pergeseran posisi cantilever arah normal sedikitsaja (puluhan nanometer) dapat direkam dengan baik.Kesalahan pengamatan arah sejajar sample sering terjadi jika ada perubahan tekstur pada ukuran yang lebih kecildaripada ukuran tip.

5. Karakterisasi Lebar Celah Pita EnergiLebar celah pita energi semikonduktor

menentukan sejumlah p

semikonduktor, kerapatan pembawa muatan, ssi, dan spectrum luminisensi. Ketika digunakan

untuk membuat divais mikroelektronik, lebar celah pitaenergi menentukan tegangan cut off persambungansemikonduktor, arus yang mengalir dalam devais,kebergantungan arus pada suhu, dan sebagainya.

Bagaimana cara menentukan lebar celah pita

energi dalam semikonduktor? Caranya adalah melaui pengamatan spektrometri ultraviolet-visible (UV-Vis).Alat yang digunakan adalah spectrometer UV-Vis.Bagaimana metode ini bekerja? Mari kita diskusik

Dasar pemikiran metode tersebut cukup sederhana.Jika material disinari dengan gelombang elektromagnetik

maka foton akan diserap oleh elektron dalam material.Setelah menyerap foton, elektron akan berusaha meloncatke tingkat energi yang lebih tinggi.

Perhatikan ilustrasi pada Gbr. 11. Jika energi fotonyang diberikan kurang dari lebar celah pita energi makaelektron tidak sangggup meloncat ke pita valensi.

Elektron tetap berada opada pita valensi. Dalam keadaan

ini dikatakan elektron tidak menyeraan pada material diteruskan melewati material

(transmisi). Elektron baru akan meloncat ke pita konduksihanya jika energi foton yang diberikan lebih besardaruipada lebar celah pita energi. Elektron menyerap

energi foton tersebut. Dalam hal ini kita katakana terjadiabsorpsi gelombang oleh material. Ketika kita mengubah-ubah frekuensi gelombang elektromagnetik yangdijatuhkan ke material maka energi gelombang di manamulai terjadi penyerapan oleh material bersesuaiandengan lebar celah pita energi material.

Lebar celah pita energi semikonduktor umumnyalebih dari 1 eV. Energi sebesar ini bersesuaian dengan

panjang gelombang dari cahaya tampak ke ultyraviolet.Oleh sebab itu pengamatan lebar celah pita energisemikonduktor dilakukan dengan spektroskop UV-Vi


6/9


EM

akairi).

erialiradiasi dengan gelombang EM dengan energi foton

bih besar daripada lebar celah energi.

Gambar 11 Jika semikonduktor diradiase dengan

dengan energi foton kurang dari lebar celah energi melektron tidak sanggup meloncat ke pita konduksi (k Elektron dapat mencapai pita konduksi jika matd

le

Misalkan semikonduktor diradiasi dengan

gelombang elektromagnetik dengan frekuensi ω dan

intensitas )(ω o I . Sebagian energi gelombang dibasorpsileh material dan sebagian ditransmisikan. Intensitas

cahaya

o

yang ditransmisikan memenuhi persamaanatenuasi

[ ] x I I oT )(exp)()( σ −= (1)

dengan )(σ adalah koefisien absorpsi yang bergantung pada frekuensi foton dan x adalah ketebalan material.Persamaan di atas dapat ditulis ulang se

bagai

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−=

)(

)(ln

1)(

ω

ω ω σ

o

T

I

I

x (2)

Spektrometer UV-Vis memungkinakan kitamenentukan intensitas absorpsi satau panjang gelombang. Gamspektru absorpsi UV-Vis partikel CdSe yang dambil

dengan

ikel

ari kurva tersebut kita dapat menentukan

ebagai fungsi frekuensi bar 12 adalah contoh

m

spektroskop UV-Vis [4].

Gambar 12 Contoh spektrum absorpsi UV-Vis partCdSe.

D )(σ

sebagai fungsi ω dari daerah tampak hingga ultraviolet.Untuk material semikonduktor dengan celah pita

energi langsung (direct band gap) ada hubungan yang

sederhana antara )(ω σ dan ω , khususnya pada

foton berdekatan dengan nilai celah pita ener semiko

energi

ginduktor. Pada jangkauan energi tersebut koefisien

absorpsi memenuhi persamaan

[ ] )()( 2 g E A −= ω ω ω σ hh (3)

dengan g E adalah lebar celah pita energi dan A sebuah

konstanta.

Dari fungsi )(σ yang diper

kita pl t nilai tersebut di daerah sekitar celah energi

duk

adalah

oleh dari eksperimen

o

semikon tor dalam sebuah grafik yang sumbu

vertikalnya [ ]2)( ω ω σ h dan sumbu datar adalahω h . diperoKurva yang leh tampak seperti Gbr. 13 [4].

Pita konduksiPita konduksiPita konduksi

Pita valensi

Pita konduksi

Radiasi

EM dengan

energi lebih

dari lebar

celah energi

Pita valensi

Radiasi

EM dengan

energi kurang

dari lebar

celah energi

Pita valensi

Pita konduksi

Radiasi

EM dengan

energi lebih

dari lebar

celah energi

Pita valensi

Pita konduksi

Radiasi

EM dengan

energi lebih

dari lebar

celah energi

Pita valensi

Radiasi

EM dengan

energi kurang

dari lebar

celah energi

Pita valensi

Radiasi

EM dengan

energi kurang

dari lebar

celah energi

400 500 600 700 800

2

4

6

Panjang gelombang (nm)

I n t e n s i t a s a b s o r p

m

Sekitar band gap

400 500 600 700 800

2

4 s i ( s e

b a r a n g )

6

Panjang gelombang (nm)

I n t e n s i t a s a b s o r p

m

s i ( s e

b a r a n g )

Sekitar band gap


7/9


Perpotongan kurva dengan sumbu datar tidak laindaripada lebar celah ahan. pita energi b

tonang

kuansiahaya dapat didekati dengan persamaan

dengan adalah konstanta.

6. Metode Scherrersangat mahal, baik dari segi

harga, biaya operasional, maupun pemeliharaan. Tidak

semua universitas di dunia memiliki fasilitas ini termasuk-negara maju. Di beberapa negara

maju,

orang sebagai alternatif adalah metodeScherr

satu orientasi menghasilkan puncak

ecil daripada ukuran kristallites yang menghasilkan pola

i bidang pantul sinar-X yang terbatas.

uncak difraksi dihasilkan oleh interferensi secarakonstru

Gambar 13 Kurva [ ]2

)( ω ω σ h terhadap energi fountuk nanopartikel PbS. Kurva kiri untuk partikel y besar dan kurva kanan untuk partikel yang kecil.

Untuk semikonduktor yang memiliki indirect-band

gap, hubungan antara koesisien absorpsi dengan frec

[ ]2)( g E A −= ω ω σ h (4)

A

TEM adalah alat yang

universitas di negara

TEM banyak yang ditempatkan di pusat penelitiaanyang digunakan secara bersama-sama oleh beberapauniversitas atau lembaga riset. Bagaimana kitamenentukan ukuran partikel nanoi jika TEM tidaktersedia?

Ketiadaan TEM tidak menghalangi kita untuk

menentukan ukuran partikel nano meskipun dengan pendekatan yang tidak terlalu akurat. Metode yang seringdigunakan

er. Ukuran kristallin ditentukan berdasarkan pelebaran puncak difraksi sinar-X yang muncul. Metodeini sebenarnya memprediksi ukuran kristallin dalam

material, bukan ukuran partikel. Jika satu partikelmengandung sejumlah kritallites yang kecil-kecil makainformasi yang diberikan metiode Schrerrer adalah ukurankristallin tersebut, bukan ukuran partikel. Untuk partikel berukuran nanometer, biasanya satu partikel hanyamengandung satu kristallites. Dengan demikian, ukuran

kristallinitas yang diprediksi dengan metode Schreer juga

merupakan ukuran partikel.Berdasarkan metode ini, makin kecil ukuran

kristallites maka makin lebar puncak difraksi yang

dihasilkan, seperti diilustrasikan pada Gbr. 14. Kristalyang berukuran besar dengan

difraksi yang mendekati sebuah garis vertikal.Kristallites yang sangat kecil menghasilkan puncak

difraksi yang sangat lebar. Lebar puncak difraksi tersebut

memberikan informasi tentang ukuran kristallites

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2hω (eV)

Eg

( σ h ω ) 2 × 1 0 6 3

2

1

Gambar 14 Makin lebar puncak difraksi sinar-X makamakin kecil ukuran kristallites. Ukuran kristallites yangmenghasilkan pola difraksi pada gambar bawah lebih

k

difraksi atas.

Mengapa kristallites yang kecil menghasilkan puncak yang lebar? Penyebabnya karena kristallites yangkecil memilik

Pktif cahaya yang dipantulkan oleh bidang-bidang

kristal. Dalam kuliah tentang interferensi gelombang kitamendapatkankan bahwa makin banyak jumlah celahinterferensi maka makin sempit ukuran garis frinji padalayar. Interferensi celah banyak dengan jumlah celah tak

berhingga menghasilkan frinji yang sangat tipis tetapisangat terang. Jumlah celah yang sangat banyak identik

dengan kirtallites yang ukuran besar. Karena difraksisinar-X pada dasarnya adalah interferensi oleh sejumlahsumber maka kita dapat memprediksi hubungan antaralebar pucak difraksi dengan ukuran kristallites

berdasarkan perumusan interferensi celah banyak.Hubungan antara ukuran ksirtallites dengan lebar

puncal difraksi sinar-X dapat diproksimasi dengan persamaan Schrerer [5-7],

B B D

θ

λ

cos≈ (5)

dengan D adalah ukuran (diameter) kristallites, λ adalah panjang gelombang si

sudut Bragg, B adalah FWHM satu puncak yang dipilih

nar-X yang digunakan, θ B adalah

4

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2hω (eV)

Eg

( σ h ω ) 2 × 1 0 6 3

2

1

4

I n t e n s i t a s

2θ

I n t e n s i t a

2θ

s

I n t e n s i t a s

2θ

I n t e n s i t a

2θ

s


8/9


Bentuk yang lebih umum lagi adalahmenggunakan parameter B bukan sebagai FWHM dari puncak difraksi, tetampi menggunakan B dari persamaanWarren, yaitu

22 FWHM FWHM B −= (6) st sp

dengan FWHM sp adalah lebar punca pada setengah maksimum dan FWHM st adalah lebar puncak difraksi kristal yang sangat besar yang lokasi

-X untuk sample tersebut pada ja

Bagaimana menentukan ukuran kristallin. YangFWHM.

Untuk maksud ini kita pilih satu puncak yang paluing

jelas. D

dut antara 28,0o sampai 30,5º.

na dapat tersebutyang kan digunakan untuk memprediksi ukurankristall

eori BET diperkenalkan tahun 1938 oleh StephenBrunauer, Paul Hugh Emmett, dan Edward Teller. BET

dari nama ketiga ilmuwan tersebut.

20 30 40 50 60 70 800

100

200

300

400

500

600

k difraksi sample

puncaknya berada di sekitar lokasi puncak sample yang

akan kita hitung. Tetapi, umumnya FWHMst sangat kecilsehingga persamaan (5) dapat diangap sebagaiaproksimasi yang cukup baik.

Sekarang kita coba melihat aplikasi rumus iniuntuk mencari ukuran kristallin suatu sample. Pertama

kita amati pola difraksi sinar ngkauan sudut yang cukup luas (antara 0

o sampai

90o). Gambar 15 adalah contoh pola difraksi sinar-X

sample yttrium oksida (Y2O3) yang dibuat dengan pemanasan dalam larutan polimer. Berdasarkan foto SEMukuran partikel beberapa ratus nanometer. Kita ingin

menentukan ukuran kristallin sehingga kita dapatmengertahui apakah partikel tersebut adalah single

kristallin atau polikristallin. Kita melihat sejumlah puncakdifraksi. Dengan membandingkan dengan referensi dalam powder diffraction file kita meyakini bahwa material yangdibuat benar-benar merupakan Y2O3.

700

Gambar 15 Difraksi sinar-X untuk partikel Y2O3

pertama yang dilakukan adalah menentukan

i sini kita memilih puncak yang lokasinya sekitarsudut 30

o. Kita gambar ulang pola difraksi hanya dengan

melibatkan data sekitar sudut 30o. Gambar 16 adalah pola

difraksi yang kita peroleh dengan mengambil jangkauansudut antara 28o sampai 30,5o. Umumnya bentuk puncak

difraksi dianggap memenuhi fungsi Lorentzian. Denganfiiiting Lorentzian menggunakan software OriginMicrocal, kita dapatkan hasil seperti pada Gbr 17. Datayang diperoleh dari fitting tersebut adalah luas kurva =

616,83, pusat kurva = 29,205o, FWHM = 0,72371o, offset= 391,91, dan tinggi = 542,60.

Gambar 16 Difraksi sinar-X pada jangkauan sudut yangsangat sempit, yaitu sekitar puncak yang berada padasu

Gambar 17 Fitting Lorentzian untuk puncak difraksisekitar sudut antara 28,0o hingga 30,5º.

Yang terpenting bagi kita adalah data lokasi

puncak dan lebar puncak difraksi kareaing dengan menggunakan persamaan Schreerer.

Karena sumbu datar adalah sudut dinyatakan dalam 2θ maka yang digunakan sebagai B adalah setengahnya yaitu

B = 0,72371o/2 = 0,361855

o = 0,361855×π/180 rad =

0,006312 rad. Panjang gelombang sinar-X yangdigunakan dalam eksperimen adalah 0,1540598 nm.

Dengan dmikian, perkiraan ukuran kristallin adalah D ≈ 0,1540598/(0,006312 × cos(29,205º) ≈ 26 nm.

7. Metode BETT

adalah singkatan

C o u n t [ s e m b a r a n g

2θ [o]

20 30 40 50 60 70 800

100

200

300

400

500

600 ]

700

C o u n t [ s e m b a r a n g

2θ [o]

28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 30.5

100

200

300

400

500

600

]

700

C o u n t [ s e m b a r a n g ]

2θ [o]

28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 30.5

100

200

300

400

500

600700


2θ [o]

28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 30.5

100

200

300

400

500

600

700

2θ [o]


28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 30.5

100

200

300

400

500

600

700

2θ [o]



9/9


Teori i

kel makuin kecil. Dengan

mende

sisatu la

ni menjelaskan fenomena adsorpsi molekul gas di permukaan zat padat (melekatnya molekul gas di permukaan zat padat). Kuantitas molekul gas yangdiadsorsi sangat bergantung pada luas permukaan yang

dimiliki zat pada tersebut. Dengan demikian, secara tidak

langsung teori ini dapat dipergunakan untuk menentukanluas permukaan zat padat.

Jika zat padat berupa partikel-partikel maka luas permukaan untuk zat padat dengan massa tertentu makin besar jika ukuran parti

finisikan luas permukaan spesifik sebagai perbandingan luas total pemukaan zat padat terhadapmassanya maka luas permukaan spesifik makin besr jikaukuran partikel makin kecil. Metode BET memberikaninformasi tentang luas permukaan spesifik zat padat.Dengan demikian metode ini dapat digunakan untuk

memperkirakan ukuran rata-rata partikel zat padat. Untukmaterial berpori, luas permukaan spesifik ditentukan oleh

porositas zat padat. Dengan demikian metode BET jugadapat digunakan untuk menentukan porositas zat padat.

Landasan utama teori BET adalah (a) molekuldapat teradsoprsi pada permukaan zat padat hingga

beberapa lapis. Teori ini lebih umum dari teori adsorp pis molekul dari Langmuir. (b) Juga dianggap

bahwa tidak ada interaksi antar molekul gas yangteradsorpsi pada permukaan zat padat. (c) Lalu, teoriadsorpsi satu lapis dari Langmuir dapat diterapkan untukmasing-masing lapis gas. Dengan asumsi di atas, BET

mendapatkan persmaan umum yang menerangkankeadaan molekul yang teradsorpsi pada permukaan zat

padat.

[ ] c P P c 111 ⎞⎛ −

c P P momo υ υ υ 1)/(+⎟⎟

⎠⎜⎜⎝

=−

(7)

dengan P adalah tekanan keseimbangan,

tekanan saturasi, υ adalah jumlah gas yang teradsopsi, υ m adalah mlah gas yang teradsoprsi pada satu lapis, dan c

P o adalah

ju

adalah konstanta BET yang memenuhi

⎥⎤

⎢⎡ −

= RT

E E c L1exp

⎦⎣ (8)

dengan E 1 adalah kalor adsoadalah kalor lebur

lot BET adalah kurva dengan sumbu datar P / P o

pada Gbr. 18. Dengan memperhatikan persam

adro, s adalah penampang lintangadsorp

Sejumlah metode karakterisasi nanomaterial telahijelaskan. Karakterisasi sangat diperlukan untuk

eyakinan bahwa kita telah berhasil mensintesis

materi

[1] M bdullah, T. Isakndar, S. Shibamoto, T. Ogi, and

uyama, Acta Materialia, 52, 5151 (2004).dullah, F. iskandar, and K. Okuyama, Proc.

[3] Adv.

[4] ys. Chem. 95, 525

[5] , K. Okuyama, and F.G. Shi,

6] M. Abdullah, and K. Okuyama, J. Mater. Res.

[7] . Nano Saintek. 1, 28

rpsi lapisan pertama dan E L [

P

dan sumbu tegak 1/υ [( P o/ P )-1]. Kurva tersebut berbentukgaris lurus seperti

aan (7) maka kemiringan kurva sama dengan (c-

1)/υ mc, dan titik potong kurva dengan sumbe tegak sama

dengan 1/υ mc. Dari dua nilai tersebut kita dapat

menentukan c dan υ m.

Berdasarkan nilai υ m maka dapat dihitung luas

permukaan total sample yang diukur, yaitu S tot = υ m Ns/V ,

dengan N bilangan Avogsi, dan V adalah volum satu mol gas yang

diadsorpsi (volum molar). Nilai V dan s ada di referensi

sehingga berdasarkan nilai υ m dari plot BET maka luas

permukaan total sample dapat dihitung. Luas permukaanspesifik sama dengan luas permukaan total dibagi massasample. Jadi luas pemukaan spesifik adalah S = S tot/m,dengan m adalah massa sample.

P o/ P

1 / υ [ ( P

o / P ) - 1 ]

1/υ mc k e

m i r i n

g a n =

( c - 1 )

/ υ m c

P o/ P

1 / υ [ ( P

o / P ) - 1 ]

1/υ mc k e

m i r i n

g a n =

( c - 1 )

/ υ m c

Gambar 18 Tipikal kurva BET.

Penutup

dmemberi k

al dengan struktur nanometer. Karakterisasi jugaakan memberikan informasi sifat-sifat material. Informasi

sifat-sifat tersebut memberi peluang rekayasa material

dalam skala nanometer untuk menghasilkan sifat khasyang berguna.

Referensi

. A

K. Ok [2] M. Ab

ITB. Eng. Sci. 36B, 125 (2004).M. Abdullah, F. Iskandar, and K. okuyama,

Mater. 14, 930 (2002).Y. Wang and N. Herron, J. Ph

(1991).

M. Abdullah, F. Isakndar J. Appl. Phys. 89, 6431 (2001).Y. Itoh,19, 1077 (2004).M. Abdullah dan Khairurrijal, J

(2008).

macam-macam karakterisasi material

Documents