Difraksi sinar-X (XRD) adalah teknik non-destruktif untuk menganalisis struktur bahan kristalin atau semi-kristalin, namun XRD dapat juga untuk mempelajari bahan non-kristalin. Berikut pemaparan XRD Indonesia selengkapnya.
Definisi Difraksi Sinar X / X-ray Diffraction (XRD)
XRD adalah teknik yang bergantung pada berkas sinar-X yang memiliki panjang gelombang pada skala ±1Å. Ketika berkas tersebut terhambur dari suatu bahan dengan struktur atom/molekul pada skala tersebut, akan terjadi interferensi yang menghasilkan pola dengan intensitas berbeda. Secara kualitatif serupa dengan pola warna-warni yang dihasilkan oleh gelembung sabun – warna berbeda terlihat dari arah berbeda.
XRD sangat berbeda dari radiografi sinar-X, atau tomografi yang bergantung pada fakta bahwa sinar-X diserap lebih kuat oleh beberapa bahan daripada yang lain, contohnya tulang atau tumor menyerap lebih dari otot atau lemak, sehingga gambar yang ditransmisikan memberikan gambar langsung dari struktur di dalam tubuh atau objek dalam skala milimeter atau lebih.
Sebaliknya, XRD menghasilkan pola difraksi yang tidak menyerupai struktur yang mendasarinya, dan memberikan informasi tentang struktur internal pada skala 1 hingga 100 Å.
Secara umum teknik XRD dapat digambarkan seperti diagram pada gambar 1 berikut:
Gambar 1. Diagram Mekanisme XRD
Sinar datang (1,2,3…) dengan panjang gelombang l mengenai rangkaian atom yang membentuk pola teratur pada bidang hkl dengan jarak antar bidang dhkl akan menghasilkan sinar pantul (1’,2’,3’…) dengan intensitas yang diukur sebagai fungsi sudut pantul terhadap sudut datang (2q). Interferensi konstruktif hanya dapat terjadi jika Hukum Bragg (1) dipenuhi.
n λ = 2 d sin θ (1)
Dengan transformasi Fourier, informasi intensitas fungsi 2q dapat diubah kembali menjadi gambaran 3 dimensi kerapatan elektron dalam kristal yang merupakan informasi tentang grup ruang (space group), ukuran kristal (lattice parameters), posisi atom, serta crystallite size dan strain.
XRD menjadi alat utama untuk berbagai bidang ilmu dasar, ilmu rekayasa, life sciences, manufaktur dan masih banyak lagi. Berikut beberapa teknik umum XRD.
- Small Angle X-ray Scattering (ukuran, bentuk dan distribusi partikel)
- Gracing Incidence X-Ray Scattering (ukuran, bentuk dan distribusi partikel pada lapisan tipis)
- Gracing Incidence XRD (aplikasi untuk lapisan tipis)
- In-plane XRD (aplikasi untuk lapisan ultra tipis)
- X-ray Reflectivity (densitas, tebal dan interface lapisan tipis)
- Texture (Pole Figure dan Orientation Distribution Function)
- Residual Stress (Tegangan sisa pada logam)
- Single Crystal (Protein, small molekul)
- Pair Distribution Function (amorf, short range order, atomic substitution)
- In-situ (temperature, pressure, formation, structure change etc)
- Amorphous content, % crystallinity (Farmasi, Biologi, Kimia, Fisika)
Single Crystal (Difraksi Kristal Tunggal)
Difraksi sinar X oleh kristal tunggal menghasilkan pola bintik-bintik pada gambar 2 akan memberikan informasi tentang simetri dan dimensi kisi kristal, intensitasnya menentukan posisi atom dalam setiap sel unit, bentuk dan lebar puncak individu menentukan rincian ukuran kristal, serta strain dan cacat mikroskopis.
Pengukuran kristal tunggal menghasilkan informasi lebih lengkap dan akurat. Malasahnya terletak pada sulitnya proses menumbuhkan kristal tunggal berkualitas tinggi.
Aplikasi pernting dari difraksi kristal tunggal adalah pada protein crystallography, yang merupakan Teknik utama dalam bidang biologi molecular.
Gambar 2. Pola difraksi sinar x kristal tunggal enzyme (Jeff Dahl)
(sumber: Wikipedia – X-ray crystallography)
Powder Diffraction (Difraksi Serbuk)
Alih-alih kristal tunggal, sampel terdiri dari campuran banyak kristalit dalam bentuk bubuk halus. Alih-alih pola bintik-bintik tajam yang ditunjukkan di atas, pola sekarang terdiri dari cincin konsentris, masing-masing memiliki sudut hamburan yang sama 2θ yang dimiliki oleh satu bidang tertentu dalam pola kristal tunggal.
Gambar 3 kiri menunjukan pola difraksi serbuk dari silver-behenate (kristal organik berlapis) dan gambar 3 kanan adalah plot 2θ terhadap intensitas-nya.
Gambar 3. Pola difraksi silver behate
(sumber: Paul Heiney)
Difraksi serbuk lebih banya digunakan dibanding difraksi kristal tunggal karena jauh lebih mudah untuk menghasilkan sampel bubuk daripada kristal tunggal. Meskipun beberapa informasi hilang karena mengubah bintik-bintik tajam menjadi cincin, struktur kristal masih dapat diselesaikan dengan teknik ini selama tidak ada tumpang tindih yang berlebihan antara puncak. Metode Rietveld adalah metode yang paling umum untuk menentukan struktur kristal, bentuk dan lebar puncak, serta strain dan cacat mikroskopis pada difraksi serbuk.
Dengan perkembangan teknologi peralatan XRD (hardware) dan algoritma perhitungan (software), beberapa informasi yang lebih spesifik (advance) dapat dihasilkan dari teknik ini, diantaranya:
- Ketidakteraturan susunan kristal (Dislocation density, Faulting, Anti phase Grain Boundary, Grain surface relaxation, Stoichiometric fluctuations etc).
- Pair Distribution Function (Amorf, Short range order, Atomic substitution etc)
- In-situ (temperature, pressure, formation, structure change etc)
- Amorphous content, % crystallinity (Farmasi, Biologi, Kimia, Fisika)
- Maximum Entropy Method (3D electron density)
Identifikasi fase, paling sering digunakan dalam mineralogi untuk menentukan jenis mineral atau tanah liat yang terdiri dari campuran berbagai fase kristal, dimana “Sidik jari” dari pola difraksinya dibandingkan dengan basis data (ICDD-PDF) dari pola yang diketahui untuk menentukan fase yang terkandung dalam sampel uji.
Identifikasi fasa dan analisa kualitatif banyak digunakan dalam proses produksi seperti pada semen, baja, aluminium dan masih banyak lagi. Dapat dikatakan bahwa semua yang berbentuk kristal (bahkan non-kristal) dapat dianalisa dengan teknik ini. Gambar 4. Menunjukan bidang-bidang ilmu yang memanfaatkan teknik difraksi serbuk ini.
Gambar 4. Aplikasi difraksi serbuk pada berbagai bidang
(Sumber: Reviews on Advanced Materials Science. 38 (2014), p95)
Grazing Incidence Diffraction (GID) dan X-ray Reflectivity (XR)
Teknik-teknik yang berhubungan erat dengan Grazing Incidence Difraction (GID), juga disebut Grazing Incidence X-ray Scattering (GIXS) dan X-ray Reflectivity (XR) yang memanfaatkan fakta bahwa berkas sinar-X mengenai permukaan dengan sudut (ai) yang sangat kecil seperti pada gambar 5.
Oleh karena itu, pendekatan ini ideal untuk mengukur sifat-sifat film tipis atau multilayers pada substrat padat atau cair. Dalam pengukuran GID tipikal, αi dipertahankan tetap dan intensitasnya diukur sebagai fungsi 2θ. Profil intensitas yang dihasilkan dapat dianalisis untuk menetapkan struktur kristal dua dimensi dalam bidang film. Dalam pengukuran XR tipikal, 2θ ditetapkan pada nol, dan intensitas pantulan diukur sebagai fungsi αi. Profil intensitas yang dihasilkan dapat dianalisis dengan ketebalan lapisan (atau, lapisan dalam film multilayer) dan kerapatan elektron dalam setiap lapisan.
Gambar 4. Geometri grazing incidence and X-ray reflectivity
(Sumber: Wikipedia- Grazing incidence diffraction)
Small-angle X-ray Scattering (SAXS)
Hamburan sinar-X sudut-kecil (SAXS), juga dikenal sebagai Hamburan Sudut Kecil (SAS) mengacu pada definisi dimana sudut hamburan 2θ kecil (< 10°). Berdasarkan Hukum Bragg, skala benda yang diukur cukup besar (3 dan 100 nm). Teknik ini digunakan untuk mempelajari “objek” yang terdispersi seperti protein yang dilarutkan dalam medium berair, partikel koloid, misel, atau rongga di media berpori. Sampel ditempatkan dalam wadah transparan untuk X-ray seperti pipa kapiler atau ring holder (mylar, kapton) dengan metode transmisi.
Gambar 5 menunjukan pola difraksi bubuk sudut kecil dari molekul bercabang yang disebut dendrimer yang terangkai membentuk bola dengan struktur kubik berukuran ± 20nm.
Gambar 5. Small-angle scattering pattern from dendrimers
(sumber: LRSM Multi-Angle X-ray Scattering Central Facility)
