paper penghalusan pola difraksi sinar x pada periclase
TRANSCRIPT
Penelitian Kecil
S-1 Fisika FMIPA Unesa 1
Penghalusan Pola Difraksi Sinar X pada Periclase (MgO) Dengan Metode Rietveld
Oleh : Rio Simatupang (08324003)Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Surabaya
Email : [email protected]
Abstrak Telah dilakukan penghalusan pola difraksi sinar X pada Periclase (MgO) dengan
metode Rietveld yakni dengan menggunakan software Rietica dengan tujuan mengetahui nilai hasil penghalusan parameter kristal Periclase (MgO) secara simultan pada pola difraksi sinar – X. Pada penelitian ini telah berhasil menghaluskan pola difraksi terhitung dari pola difraksi terukur (diperoleh dari LPPM ITS Surabaya) ternyata memiliki nilai penghalusan yakni Rp = 12,747, Rwp =17,102, dan χ2 (GOF) = 2,511. Hasil penghalusan dinilai cukup sempurna karena nilai χ2 di bawah 4,0 sehingga sampel Periclase (MgO) yang didifraksikan sinar X di LPPM ITS Surabaya dapat tergolong material yang cukup bersih (tanpa pengotor)dan hasil penghalusan tersebut cukup layak untuk dilakukan analisis komposisi fase dan penentuan ukuran kristal MgO.
Kata Kunci : Difraksi Sinar X, Periclase (MgO), Metode Rietveld, A. PENDAHULUAN
Pola difraksi sinar-x yang diperoleh dari sebuah material berbentuk kristalin memuat beberapa informasi di antaranya (1) kandungan fasa kristalin, (2) ukuran dan bentuk fasa-fasa, (3) struktur kristal fasa dan (4) ketidaksempurnaan kristal. Informasi itu tercakup dalam karakter puncak yang meliputi posisi, tinggi dan bentuk dan lebar puncak difraksi. Untuk mengekstraksi informasi tersebut diperlukan analisis lanjut, misalnya dengan metode Rietveld Analisis Rietveld adalah sebuah metode pencocokan tak-linier kurva pola difraksi terhitung (model) dengan pola difraksi terukur yang didasarkan pada data struktur kristal ICSD (Inorganic Crystal Structure Database) dengan menggunakan metode kuadrat terkecil (least-squares). Perkembangan selanjutnya menunjukkan bahwa metode ini dapat digunakan sebagai alat bantu karakterisasi material kristalin guna mengekstraksi berbagai informasi kimiawi maupun struktur-mikro.
Berbagai pendekatan untuk analisis kematerialan pun turut berkembang seiring dengan kemajuan tentang pemahaman mengenai metode ini. Untuk mengetahui penghalusan pola difraksi Periclase (MgO)
maka penulis menggunakan metode Rietveld. Penelitian ini dilakukan bertujuan untuk mengetahui metode (cara) dalam melakukan penghalusan pola difraksi sinar – X pada sampel Periclasedengan membandingkan pola difraksi terhitung dan terukur yang diperoleh dari ICSD (Inorganic Crystal Structure Database). Mengetahui nilai hasil penghalusan parameter kristal Periclase(MgO) secara simultan pada pola difraksi sinar – X dengan menggunakan metode Rietveld. Adapun yang menjadi rumusan masalah yakni bagaimanakah cara melakukan penghalusan pola difraksi sinar-X yang terhitung dan terukur pada Periclase dengan metode Rietveld ?Berapa nilai hasil penghalusan parameter kristal Periclase (MgO) berdasarkan penghalusan secara simultan pola difraksi sinar-X dengan menggunakan metode Rietveld?. Dari penelitian ini dapat memberikan manfaat tentang pemahamanteknik penghalusan pola difraksi sinar-X dengan metode Rietveld dan juga dapat mengetahui parameter – parameter latticedari Periclase secara langsung dan secara tidak langsung dapat diterima untuk analisis komposisi fasa, penentuan ukuran
Penelitian Kecil
S-1 Fisika FMIPA Unesa 2
Gambar 2. Serbuk MgO
kristal, dan penghalusan struktur kristal Periclase.
B. KAJIAN TEORIDifraksi Sinar-X
Difraksi sinar-x oleh sebuah materi terjadi akibat dua fenomena: (1) hamburan oleh tiap atom dan (2) interferensi gelombang-gelombang yang dihamburkan oleh atom-atom tersebut. Interferensi ini terjadi karena gelombang-gelombang yang dihamburkan oleh atom-atom memiliki koherensi dengan gelombang datang dan, demikian pula, dengan mereka sendiri [2].
Representasi matematis syarat terjadinya difraksi diberikan oleh Hukum Bragg nd Bhkl sin2 dengan dhkl adalah
jarak antar-bidang (interplanar spacing) (hkl) untuk sebuah kristal, θB adalah sudut Bragg dan λ adalah panjang gelombang radiasi.
Di samping representasi dalam bentuk Hukum Bragg, terjadinya difraksi harus memenuhi 3 persamaan Laue yang dinyatakan dengan
Ketiga persamaan tersebut hanyalah representasi vektorial tiga dimensi dari syarat difraksi
Selisih lintasan (Δs) :
sin2
sinsin
ds
dds
BCABs
Hasil interferensi pada detektor adalah bergantung pada beda fase antara dua sinar difraksi yang berurutan [2].Periclase (MgO)
Periclaseterbentuk secara alami di kontak batuan metamorf dan merupakan komponen utama yang paling mendasar refraktori batubata. Ini adalah kubik bentuk oksida magnesium ( MgO ). Periclase pertama kali ditemukan 180 dan menurut bahasa Yunani περικλάω(istirahat sekitar) dalam kiasan untuk belahan kristalnya. Ini pertama kali dijeaskan pada tahun 1840 dan diberi nama dari περικλάω Yunani (beristirahat sebentar) lokalitas jenis adalah Monte Somma, Somma - Vesuvius Kompleks, Provinsi Naples , Campania , Italia .Metode Rietveld
Analisis (metode) Rietveld adalah sebuah metode pencocokan tak-linier kurva pola difraksi terhitung (model) dengan pola difraksi terukur yang didasarkan pada data struktur kristal dengan menggunakan metode kuadrat terkecil (least-squares). Penamaannya bisa bermacam-macam, misalnya Metode Rietveld, Analisis Rietveld atau Penghalusan Rietveld.
Di dalam analisis Rietveld pola difraksi terhitung (model) dicocokkan dengan pola difraksi terukur (Gambar 1). Parameter-parameter yang digunakan dalam penyusunan pola terhitung disimpan di dalam sebuah file. Pola difraksi terukurdisimpan dalam sebuah file yang lain. Pencocokan dilakukan dengan mengubahparameter-parameter dalam model pola difraksi terhitung yang dinyatakan dalamekspresi intensitas difraksi
'3
0
'2
0
'1
0
laSS
kaSS
haSS
K
biKKiKKci yAPFLsy 222
Gambar 1. Difraksi Sinar - X
Penelitian Kecil
S-1 Fisika FMIPA Unesa 3
dengan i adalah indeks untuk sebuah titik yang sedang dihitung, s adalah faktor skala, K menyatakan indeks Miller h, k, l untuk sebuah puncak Bragg, LK berisi faktor-faktor polarisasi Lorentz dan pelipatan, KF adalah faktor struktur untuk
refleksi Bragg ke K, adalah fungsi
bentuk puncak, i2 dan K2 adalah sudut-
sudut detektor yang berhubungan titik i dan puncak Bragg K, PK adalah fungsi preferred orientation, A adalah faktor serapan dan ybi adalah kontribusi latar [3].Simulasi dengan Rietica
Rietica adalah salah satu perangkat lunak Rietveld yang disusun oleh B. Hunter (1998), seorang peneliti di Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO), yang mengembangkan program LHPM sehingga dapat ditampilkan menggunakan platform berbasis Graphical User Interface (GUI).
Simulasi yang dimaksud pada sub-bagian ini adalah penyusunan pola difraksi terhitung dengan menggunakan data kristalografi yang sesuai. Sebagai contoh diambil data kristalografi dari Periclase(MgO) yang berasal dari database ICSD dengan kode koleksi 9863.Hipotesis Penelitian
Cara melakukan penghalusan pola difraksi sinar – X pada sampel Periclasememperhatikan faktor-faktor struktur kristal Periclase sesuai dengan data ICSD Periclase, dan melakukan prosedur penghalusan sesuai dengan Standar Operasional Prosedur (SOP) dari data yang diterima dan dibandingkan antara pola difraksi terukur dan terhitung. Nilai hasil penghalusan pola difraksi sinar-X pada Periclase tergantung pada masukkan data yang dihasilkan dan taraf ketelitian dari software Rietica sehingga hasil nilai penghalusannya yakni Rp (faktor profil) sekitar kurang dari 18 (tanpa satuan), Rwp
(faktor profil terbobot) sekitar kurang dari 24 (tanpa satuan) dan nilai GOF (Goodness of Fit) atau χ2 pencocokan terbaik sekitar kurang dari 4.0 (tanpa satuan).
C. METODE PENELITIANDalam percobaan ini, kami
menggunakan alat dan bahan yakni1 (satu) unit set alat difraksi sinar x Phillip Expert, PW-3373 MPD (Multi Purpose Diffractometer) System-3373 yang tersedia di LPPM Institut 10 Nopember (ITS) Surabay, 1 set laptop Toshiba L-510 Processor Dual Core. Dan bahan yang digunakan ialah Serbuk MgO (Periclase) secukupnya (tersedia di LPPM ITS).Rancangan Penelitian
Variabel bebas yang digunakan dalam penelitian ini : input data pada jendela-jendela Rietica antara lain General, Histogram, Sample dan Phase. Variabel
Bahan Serbuk MgO
Uji kecocokan dan penghalusan pola Difraksi Sinar-X (XRD) pada serbuk Cu dengan metode Rietveld menggunakan Software Rietica
Tujuan:1. Me mperoleh pola d ifraks i sinar-x (XRD) pada serbuk MgO atau periclase (pola difraksi
terh itung) yang dimodelkan berdasarkan data kristalografi ICSD MgO No. 9863 dengan menggunakan software Rietica
2. Mencocokkan pola difraks i sinar-x te rukur pada serbuk MgO No.2 dengan pola difraksi terh itung No.1 menggunakan software Rietica.
3. Me mperoleh hasil pencocokan dan penghalusan pola difraks i terh itung terhadap pola difraksi teru kur serbuk MgO.
Eks perimen XRD(pola difraks i teruku r)
Komputasi Pola XRD:Software Rietica (Pola difraksi Terh itung)Lihat diagram alir komputasi Halaman 17
Pencocokan pola difraksi (uji fitting)Lihat diagram alir fitting Halaman 18
Penghalusan (refinement) RietveldLihat diagram alir penghalusan Halaman 19
Indeks kecocokan χ2
Interpretas i Hasil
Pelaporan
Bahan Serbuk MgO
Uji kecocokan dan penghalusan pola Difraksi Sinar-X (XRD) pada serbuk Cu dengan metode Rietveld menggunakan Software Rietica
Tujuan:1. Me mperoleh pola d ifraks i sinar-x (XRD) pada serbuk MgO atau periclase (pola difraksi
terh itung) yang dimodelkan berdasarkan data kristalografi ICSD MgO No. 9863 dengan menggunakan software Rietica
2. Mencocokkan pola difraks i sinar-x te rukur pada serbuk MgO No.2 dengan pola difraksi terh itung No.1 menggunakan software Rietica.
3. Me mperoleh hasil pencocokan dan penghalusan pola difraks i terh itung terhadap pola difraksi teru kur serbuk MgO.
Eks perimen XRD(pola difraks i teruku r)
Komputasi Pola XRD:Software Rietica (Pola difraksi Terh itung)Lihat diagram alir komputasi Halaman 17
Pencocokan pola difraksi (uji fitting)Lihat diagram alir fitting Halaman 18
Penghalusan (refinement) RietveldLihat diagram alir penghalusan Halaman 19
Indeks kecocokan χ2
Interpretas i Hasil
Pelaporan
Gambar 3. Diagram alir penghalusan pola difraksi sinar – x pada Periclase
Penelitian Kecil
S-1 Fisika FMIPA Unesa 4
kontrolnya antara lain : Software Rietica, dan data kristalografi (ICSD) untuk Cu yaitu ICSD 9863. Sedangkan variabel respon ini ialah : Pola difraksi sinar-x terhitung pada bahan serbuk MgO (Periclase), Rp (faktor profil), Rwp (faktor profil terbobot), dan nilai GOF (Goodness of Fit).
D. HASIL & PEMBAHASANPenyusunan file model untuk pola
difraksi terhitung (simulasi) diawali dengan memilih menu File-New pada Rietica Histogram adalah jumlah himpunan data terukur yang akan dilibatkan dalam penghalusan. Untuk simulasi, pilihan data file diganti dengan calculation melalui drop menu. Pada kasus Periclase (fasa tunggal), jumlah atom adalah 2 selanjutnya adalah membuka jendela General (untuk memberikan judul tampilan plot, menentukan jumlah iterasi maksimum, menyesuaikan format data difraksi terukur (misalnya yang berformat 8 digit, 10 kolom per baris yang berekstensi *.dat) dan beberapa hal lain.Kemudian, membuka Histogram (Informasi mengenai radiasi (misalnya X-ray CW, kependekan dari Constant Wavelength), panjang gelombangnya, dan batas sudut difraksi yang akan dimodelkan diumpankan di sini. Ratio adalah perbandingan intensitas radiasi panjang gelombang kedua dan panjang gelombang pertama. Zero adalah koreksi 2 yang tergantung instrumen yang digunakan.
Sedangkan Sample Displacement menyatakan besarnya ketidaktepatan posisi vertikal sampel dalam pengukuran. Model untuk latar juga diumpankan di sini. Data difraksi seperti grup ruang (space group), parameter kisi, tipe atom dan posisi (relatif) atom diumpankan disini.
Analisis RietveldSecara umum, pencocokan (fitting)
dengan metode Rietveld bisa dinyatakanselesai dengan mengikuti dua kriteria utama: - plot selisih antara pola terhitung dan pola terukur memiliki fluktuasi yang relatif kecil (Gambar 4) yang hanya dapat diamati secara visual, tidak dapatdikuantifikasi. Nilai GoF kurang dari 4% (Kisi, 1994). Kriteria figures-of-merit yanglain juga dapat digunakan. Pembaca dipersilakan mengacu pada referensi-referensi mengenai kriteria itu.
Jika kriteria di atas telah terpenuhi, maka dapat dilakukan analisis Rietveldyang dimulai dengan ekstraksi nilai-nilai terakhir parameter-parameter melalui pilihan Information kemudian View Output. Analisis Rietveld dapat dilakukan secara langsung dan tidak langsung dari luaran itu. Beberapa hasil analisis yang dapat langsung dibaca adalah parameter kisi dan Sample Displacement.
Sedangkan luaran penghalusan yang dimanfaatkan secara tidak langsung adalah, misalnya, faktor skala untuk perhitungan komposisi fasa dan komponen pelebaran puncak untuk analisis mikrostruktur.
Gambar 4. Pola difraksi terhitung dengan Rietica untuk Periclase
Gambar 5. Pola difraksi terukur dengan Rietica untuk Periclase
Penelitian Kecil
S-1 Fisika FMIPA Unesa 5
Hasil output penghalusan :SCALE FACTOR = 1.0000 0.00000 0.00000 ZEROPOINT = -0.04100 0.00000 0.00000 WAVELENGTH = 1.515000 0.000003 0.031354 SAMPLE DISPLACEMENT = -0.27399 0.00004 0.00272 BACKGROUND PARAMETER B 0 = -6.72207 -0.530096E-03 0.441505 BACKGROUND PARAMETER B 1 = 0.831112 0.402940E-04 0.329143E-01 BACKGROUND PARAMETER B 2 = -0.928283E-02 -0.438904E-06 0.620582E-03 BACKGROUND PARAMETER B 3 = 0.380813E-04 0.154998E-08 0.335114E-05 PREFERRED ORIENTATION = 1.00000 0.00000 0.00000 ABSORPTION R = 0.00000 0.00000 0.00000 ASYMMETRY PARAMETERS = 0.04000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 HALFWIDTH PARAMETERS U = 0.008900 0.000000 0.000000V = -0.006000 0.000000 0.000000W = 0.070000 0.000000 0.000000 ANISOTROPIC GAUSSIAN BROADENING = 0.000000 0.000000 0.000000 LORENZTIAN COMPONENTS = 0.155832 -0.000034 0.001080 0.000000 0.000000 0.0000000.000000 0.000000 0.000000 EQUIVALENT TO A PARTICLE SIZE OF 557.0( 3.9) ANGSTROMS EXTINCTION PARAMETER = 0.000000 0.000000 0.000000+------------------------------------------------------------------------+| Hist | Rp | Rwp | Rexp |Durbin Unwght| Durbin Wght | N-P |+------------------------------------------------------------------------+| 1 | 12.98 | 17.56 | 10.79 | 0.150 | 0.794 | 5487 |+------------------------------------------------------------------------+
| SUMYDIF | SUMYOBS | SUMYCALC | SUMWYOBSSQ | GOF | CONDITION |+------------------------------------------------------------------------+| 0.6113E+05| 0.4711E+06| 0.4566E+06| 0.4711E+06| 0.2648E+01| 0.7215E+13 |+----------------------------------------
E. KESIMPULAN & SARANData difraksi kristal MgO membawa
berbagai informasi yang menggambarkan karakteristik dari kristal tersebut. Informasi tersebut dapat diekstrak melalui pencocokan atau penghalusan Rietveld, misalnya menggunakan perangkat lunak yaitu Rietica dengan nilai penghalusan akhir Rp = 12,747, Rwp = 17,102, dan χ2
(GOF) = 2,511. Teori, strategi, urutan dan analisis dengan metode Rietveld telah diuraikan dapat diimplementasikan untuk karakterisasi material kristal. Sampel Periclase (MgO) yang didifraksikan oleh sinar X di LPPM ITS Surabaya dapat tergolong material yang cukup bersih (tanpa pengotor) dan hasil penghalusan tersebut cukup layak untuk dilakukan analisis komposisi fase dan penentuan ukuran kristal MgO, namun tidak disarankan untuk penentuan ukuran kristal karena keterbatasan model yang digunakan dalam analisis [1].
REFERENSI[1] Pratapa, Suminar. 2011. Analisis Data
Difraksi dengan Metode Rietveld. Surabaya : ITS University Press.
[2] Pratapa, Suminar. 2004. Bab 1 Prinsip-Prinsip Difraksi Sinar – X.http:// www.its.ac.id/fmipa+fisika_download_pdf_ Bab 1 Prinsip-Prinsip Difraksi Sinar – x.pdf. Diakses 8 Maret 2011.
[3] U.E., Frida. 2010. Chapter V : X- Ray Diffraction.http://fisikaunesa.net/Chapter V : X- Ray Diffraction.pdf. Diakses 03 Desember 2010.
Gambar 6. Penghalusan Akhir Pola Difraksi Terhitung dan Terukur Pada Periclase.
Penelitian Kecil
S-1 Fisika FMIPA Unesa 6