Difraksi Sinar-X atau X-Ray Diffraction (XRD)

Difraksi Sinar-X atau X-Ray Diffraction (XRD)

X-Ray Diffraction adalah metode karakterisasi yang digunakan untuk mengetahui senyawa kristal yang terbentuk. Apabila dalam analisis ini pola difraksi unsur diketahui, maka unsur tersebut dapat diketahui. Penyebab utama yang menghasilkan bentuk pola-pola difraksi serbuk tersebut, yaitu ukuran dan bentuk dari setiap selnya serta nomor atom dan posisi atom-atom didalam sel. Difraksi sinar-X dalam menganalisis padatan kristalin memegang peranan penting untuk meneliti parameter kisi dan tipe struktur. Selain itu, dimanfaatkan juga untuk mempelajari cacat pada kristal individu dengan mendeteksi perbedaan intensitas difraksi di daerah kristal dekat dislokasi dan daerah kristal yang mendekati kesempurnaan (Smallman dan Bishop, 1999).

Metode XRD berdasarkan sifat difraksi sinar-X, yaitu sinar-X terjadi jika suatu bahan ditembakan dengan elektron yang memiliki kecepatan dan tegangan tinggi dalam tabung vakum. Elektron-elektron dipercepat yang berasal dari filament (katoda) menumbuk target (anoda) yang berada dalam tabung sinar-X sehingga elektron-elektron tersebut mengalami perlambatan (Cullity, 1978). Skema tabung sinar-X ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Skema tabung sinar-X.

Radiasi yang dipancarkan oleh sinar-X terbagi menjadi dua komponen, yaitu spektrum kontinu dan spektrum garis. Spektrum kontinu mempunyai rentang panjang gelombang yang lebar, sedangkan spektrum garis merupakan karakteristik dari logam yang ditembak. Spektrum sinar-X kontinu dihasilkan dari peristiwa bremsstrahlung. Pada saat elektron menumbuk logam, elektron dari katoda (elektron datang) menembus kulit atom dan mendekati kulit inti atom. Pada saat mendekati inti atom, elektron ditarik mendekati inti atom yang bermuatan positif, sehingga lintasan elektron berbelok dan kecepatan elektron berkurang atau diperlambat. Karena perlambatan ini, maka energi elektron berkurang. Energi yang hilang ini dipancarkan dalam bentuk sinar-X. Proses inilah yang dikenal dengan proses bremsstrahlung.

Spektrum karakteristik terjadi apabila elektron terakselerasi mempunyai cukup energi untuk mengeluarkan satu elektron dalam kulitnya. Misalnya level 1s kosong, kemudian akan diisi dengan elektron lain yang berasal dari level energi yang lebih tinggi. Pada waktu transisi, terjadi emisi radiasi sinar-X. Apabila elektron mengalami transisi dari kulit yang berdekatan misalnya dari kulit L ke kulit K maka radiasi emisi ini disebut radiasi K_a sedangkan elektron mengalami transisi dari kulit M ke kulit K maka radiasi emisinya disebut K_b. Gambar spektrum karakteristik ditunjukkan pada Gambar 2.

                                                                     

Gambar 2. Sinar-X karakteristik.

Rancangan spektrometer sinar-X didasarkan atas analisis Bragg. Seberkas sinar-X terarah jatuh pada kristal dengan sudut q dan sebuah detektor diletakkan untuk mencatat sinar yang sudut hamburannya sebesar q. Ketika q diubah, detektor akan mencatat puncak intensitas yang bersesuaian dengan orde n yang divisualisasikan dalam difraktogram. Jika sinar-X mengenai suatu bahan, maka intensitas sinar yang ditransmisikan akan lebih rendah dibandingkan dengan intensitas sinar yang datang, karena terjadi penyerapan oleh bahan dan penghamburan atom-atom dalam bahan tersebut. Berkas difraksi diperoleh dari berkas sinar-X yang saling menguatkan karena mempunyai fase yang sama. Untuk berkas sinar-X yang mempunyai fase berlawanan maka akan saling menghilangkan. Syarat yang harus dipenuhi agar berkas sinar-X yang dihamburkan merupakan berkas difraksi maka dapat dilakukan perhitungan secara matematis sesuai dengan hukum Bragg (Smallman dan Bishop, 1999). Gambar skema dasar XRD ditunjukkan oleh Gambar 3.

Gambar 3. Skema dasar XRD.

Menurut Bragg, berkas yang terdifraksi oleh kristal terjadi jika pemantulan oleh  bidang sejajar atom menghasilkan interferensi konstruktif. Pemantulan sinar-X oleh sekelompok bidang paralel dalam kristal pada hakekatnya merupakan gambaran dari difraksi atom-atom kristal. Difraksi atom-atom kristal sebagai pantulan sinar-X oleh sekelompok bidang-bidang paralel dalam kristal seperti terlihat pada Gambar 4. Arah difraksi sangat ditentukan oleh geometri kisi, yang bergantung pada orientasi dan jarak antar bidang kristal.

Gambar 4.  Difraksi Bragg.

Gambar 4 menunjukkan seberkas sinar mengenai atom M pada bidang pertama dan N pada bidang berikutnya. Jarak antara bidang M dengan bidang N adalah d, sedangkan q adalah sudut difraksi. Berkas-berkas tersebut mempunyai panjang gelombang l, dan jatuh pada bidang kristal dengan jarak d dan sudut q. Agar mengalami interferensi konstruktif, kedua berkas tersebut harus memiliki beda jarak nl. Sedangkan beda jarak lintasan kedua berkas adalah 2d sin q. Interferensi konstruktif terjadi jika beda jalan sinar adalah kelipatan bulat panjang gelombang l, sehingga dapat dituliskan sebagai berikut: Pernyataan ini adalah hukum Bragg. Pemantulan Bragg dapat terjadi jika λ≤ 2d, karena itu tidak dapat menggunakan cahaya kasat mata, dengan n adalah bilangan bulat = 1,2,3, ... (Beiser, 2003).

nl = ON + NP                                                                           

dengan sin q = ON/MN= NP/MN                                                                        

MN = d                                                                                      

ON = NP = d sin  q                                                                   

sehingga,

nl = d sin q + d sin q                                                                

nl = 2d sin q

Pernyataan ini adalah hukum Bragg. Pemantulan Bragg dapat terjadi jika λ≤ 2d, karena itu tidak dapat menggunakan cahaya kasat mata, dengan n adalah bilangan bulat = 1,2,3, ... (Beiser, 2003).