Material Science Chapter 3 Characterization of solids

Presentasi berjudul: "Material Science Chapter 3 Characterization of solids"— Transcript presentasi:

1 Material Science Chapter 3 Characterization of solids
Tio Putra Wendari Dosen : Dr. Zulhadjri, M.Eng

2 Material Science And Engineering
Processing Structure Properties Performance Metode Karakterisasi

3 Identifikasi Material Baru Penentuan Kemurnian Sample
Penentuan Parameter Kisi Penentuan Ukuran Kristal Pemurnian Struktur Material, dll Kristalinitas Material XRD Neutron Difraksi Teknik Mikroskopi SEM TEM Analisis Morfologi Dari Partikel Penentuan Komposisi Unsur (EDS) Material Titik Leleh Temperatur Fase Transisi Stabilitas Termal Teknik Analisis Termal DTA TGA DSC BET Teknik Analisis Ukuran Partikel Luas Permukaan

4 X-Ray Diffraction (XRD)
Difraksi sinar-X digunakan untuk menentukan posisi atom dalam molekul dan padatan. Dalam kimia anorganik, jarak ditentukan dari struktur dan memberikan informasi tambahan pada ikatan ke dalam dan antara molekul. Prinsip difraksi sinar-X Sinar-X berinteraksi dengan elektron dalam materi. Ketika cahaya sinar-X mengenai suatu material, sinar tersebut akan dihamburkan pada bermacam-macam arah oleh awan elektron. Panjang gelombang sinar-X yang digunakan dalam eksperimen difraksi sinar-X, terletak antara 0,6 dan 1,9 A.

5 Spektrum Elektromagnetik
Tipe Radiasi Frekuensi (Hz) Panjang Gelombang gamma-rays < 1 pm X-Rays 1 pm - 1 nm ultraviolet 1 nm – 400 nm visible 4-7.5x1014 400 nm nm near-infrared 1x1014-4x1014 800 nm µm infrared 2.5 µm - 25 µm microwaves 3x 25 µm - 1 mm radio waves <3x1011 > 1 mm

6 Pembentukan Sinar-X Cahaya elektron menabrak suatu logam target dan mengeluarkan elektron (elektron dekat inti) dari tingkat energi yang dekat dengan inti dari beberapa atom logam. Selanjutnya elektron dari tingkat energi yang lebih tinggi akan turun ke dalam orbital ini. (E = hv, dimana E adalah perbedaan energi antara orbital ATOM e- K L M N Kondisi Kuantum-K EK E = Sinar-X

7 Tabung sinar-X Elektron berasal dari kawat pijar tungsten dalam daerah vakum, dipercepat dengan voltase tinggi ( V) terhadap logam target. Elektron inti dikeluarkan dari logam target : sinar-X, (karakteristik dari logam target yang digunakan). Sinar-X keluar dari jendela berilium dalam tabung. Vakum Air pendingin Jendela Berilium Sinar -X e- Kawat pijar Tungsten Logam Target Diagram skema tabung sinar -X

8 3p  1s ; K 2p  1s ; K Panjang gelombang sinar K yang digunakan pada XRD Anoda Logam Radiasi Kα (Å) Cr 2,29 Å Fe 1,94 Å Co 1,79 Å Cu 1.54 Å Mo 0.71 Å Ag 0,56 Å Spektrum yang keluar dari tabung sinar-X

9 Eksperimen sinar-X Untuk memperoleh panjang gelombang tunggal, digunakan suatu monokromator kristal tunggal. Digunakan Hukum Braggs untuk menyeleksi panjang gelombang tunggal. Umumnya garis K1 diseleksi, jika mungkin, ia mempunyai intensitas yang paling besar.

10 Indeks Miller Sinar-X berinteraksi dengan bidang atom dalam kisi tiga dimensi memperlihatkan simteri translasi dari struktur. Masing-masing bidang melambangkan anggota dari kumpulan paralel dari bidang ruang yang sama, dan titik kisi masing-masing harus terletak pada satu bidang. Label untuk menggambarkan bidang-bidang  Indeks Miller (h, k dan l) dimana h,k,l bernilai bilangan bulat positif atau negatif atau nol.

11 Gambaran dari 281 kelompok bidang
Tetragonal unit cell showing the 231 plane and the d-spacing Gambaran dari 281 kelompok bidang Indeks Miller merupakan kebalikan dari pertemuan fraksi h,k,l disepanjang masing-masing arah unit sel : perpotongan pada a/h, b/k dan c/l. Contoh : Bidang 2,8,1 - memotong setengah bagian disepanjang a, - memotong seperdelapan bagian disepanjang b - dan semuanya disepanjang c. Untuk bidang yang paralel untuk satu dari arah sel satuan perpotongan adalah tidak terbatas, dan karenanya Indeks Miller untuk sumbu ini adalah nol. Pemisahan bidang-bidang diketahui sebagai jarak ­d­ dan biasanya dilambangkan dengan dhkl.

12 Jarak celah = WX + XY = 2dhkl sin  = n
Hubungan antara sudut difraksi dan parameter kisi dengan persamaan Bragg. Misalnya, sistem kubus Kombinasi persamaan geometri untuk sistem kubus (dimana a adalah paramter kisi): n = 2d sin  dengan persamaan Bragg : dimana n=1 dan penyusunan ulang untuk d memberikan  Penggantian untuk 1/d2 dalam persamaan pertama dan penyusunan ulang memberikan Hamburan sinar-X dari bidang yang paralel Jarak celah = WX + XY = 2dhkl sin  = n (Persamaan Bragg) n adalah bilangan bulat,  adalah panjang gelombang sinar X. Persamaan ini memberikan informasi struktural dari kristal

13 Difraksi Serbuk Sampel serbuk mengandung kristal yang sangat kecil dengan jumlah yang besar, khususnya dalam ukuran 10-7 – 10-4 m, berada acak dalam keseluruhan jarak orientasi yang mungkin. Ketika cahaya sinar-X menabrak sampel serbuk, akan didifraksikan dalam semua arah yang mungkin (seperti ditentukan oleh persamaan Bragg) secara bersamaan. Masing-masing jarak kisi dalam kristal memberikan kenaikan kerucut dari difraksi. 2 Cahaya sinar X Sampel Terusan kerucut difraksi yang diturunkan dari hamburan sampel polikristal Masing-masing kerucut adalah sekumpulan dari jarak titik yang berdekatan, dimana masing-masing titik melambangkan difraksi dari kristal tunggal dalam sampel. Masing-masing kerucut dari titik melambangkan difraksi dari bidang atom

14 Metode Percobaan Untuk menganalisis data, posisi kerucut harus diukur. Ini dapat dicapai dengan menggunakan film fotografi, atau, dengan detektor radiasi (difraktometer.)

15 Tabung sinar X Lingkaran pemusatan Lingkaran pengukuran Celah detektor 2 Tempat sampel Celah pemfokusan Diagram skema difraktometer sinar X serbuk Sinar-X dihasilkan oleh tabung sinar-X diluruskan jatuh pada sampel terus ke celah dan dihamburkan dalam semua arah.

16 Analisa hasil karakterisasi XRD
Kualitatif Kuantitatif Identifikasi material Identifikasi kemurnian sampel Menentukan kristalinitas sampel (kristal atau amorf) Penentuan posisi atom dan struktur (teknik refinement) Penentuan ukuran kristal

17 Pola Difraksi Bubuk : Difraktogram
Faktor yang mempengaruhi intensitas dan jumlah puncak (refleksi) : Kelompok kristal Bentuk kisi Simetri Parameter sel satuan Distribusi dan bentuk atom dalam sel satuan Hasil pengukuran XRD berupa harga intensitas dan panjang celah pada sudut 2θ

18 2θ merupakan sudut antara sinar datang dengan sinar pantul
2θ merupakan sudut antara sinar datang dengan sinar pantul. Sedangkan intensitas merupakan jumlah banyaknya X-Ray yang didifraksikan oleh Kisi-kisi yang dibentuk oleh atom-atom penyusun kristal. Jika tidak ada atom-atom yang menyusun suatu bidang kisi pada kristal, maka sinar X yang datang tidak dapat didifraksikan atau dengan kata lain tidak ada intensitas Sinar yang dibiaskan akan ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan sebagai sebuah puncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi

19 Mengidentifikasi material yang tidak diketahui
Pola difraksi sinar-x bersifat unik untuk masing-masing material yang bersifat kristal. Lebih dari kumpulan data difraksi serbuk yang khas telah dikoleksi dari sampel dan data disusun dalam database. JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards). ICSD (International Crystallography Standar Data). ICDD (International Center for Diffraction Data) Untuk mengetahui fasa Kristal yang terbentuk, hasil pengukuran dicocokan dengan data difraksi standar.

20 Kemurnian fasa Kemurnian fasa dapat diidentifikasi dengan melihat puncak-puncak yang puncul pada difraktogram. Adanya kesesuaian antara standar dan sampel, menandakan sampel berupa fasa tunggal / murni tanpa adanya senyawa lain yang terbentuk

21 Kristalinitas sampel Suatu sampel dengan kristalinitas tinggi akan memberikan intensitas difraksi yang tinggi dan tajam. Jika suatu material berupa amorf, berapa banyak fasa didalamnya tidak akan memberikan puncak pola difraksi. Crystalline Amorphous Hamburan dari sampel non-kristalin

22 Penentuan dan refinement parameter kisi (pengideksan)
Indeks Miller dengan bermacam-macam refleksi dalam pola serbuk, dapat digunakan untuk menentukan konstanta sel. Penetapan ini mudah dicapai untuk sistem kristal dengan hubungan sederhana antara sudut difraksi dan parameter kisi. Hubungan persamaan sudut difraksi terhadap indeks Miller diberikan sebagai berikut: Panjang gelombang dan parameter sel adalah konstan, dapat ditulis kembali sebagai Membagi nilai sin 2 dari semua refleksi yang lain dengan refleksi yang pertama menghilangkan C dan memberikan sejumlah yang cocok dengan perbandingan indeks Miller. Jika refleksi pertama adalah pada sudut 2 dengan indeks Miller h,k,l dan refleksi umum adalah pada 2 dengan indeks Miller, h1,k1,l1, kemudian:

23 Jadi nilai h1,k1,l1 dapat dihitung.
Untuk kisi primitif, refleksi pertama adalah 100; jadi perbandingannya adalah: Jadi nilai h1,k1,l1 dapat dihitung. Pengulangan prosedur untuk semua refleksi disebut data indeks Miller untuk refleksi 2 Tabel Indeks data difraksi serbuk Contoh: diberikan pembagi sin 2 untuk refleksi 48,266 dalam Tabel dengan refleksi pertama adalah 6. berapa nilai h, k dan l? Maka dengan mencari nilai kuadrat yang mungkin yaitu = 6. Jadi refleksinya adalah 211. Pada kubus, abc sama akan sebanding dengan 121 atau 112. 2 sin2 Perbandingan Indeks Miller 19.213 27.302 33.602 38.995 43.830 48.266 56.331 60.093 63.705 67.213 70.634 0.0279 0.0557 0.0836 0.1114 0.1393 0.1671 0.2228 0.2507 0.2785 0.3064 0.3342 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 100 110 111 200 210 211 220 300 310 311 222

24 Satu puncak dapat digunakan untuk menghitung parameter sel jika panjang gelombang diketahui
Contoh: diberikan panjang gelombang sinar-X adalah 1,54 Å, menggunakan refleksi 222 pada Tabel sebelumnya, hitunglah paramter kisi a. Jawab : Kemudian Didapatkan a = A0

25 Refinement (Penghalusan) Struktur
Dalam percobaan serbuk, semua refleksi terjadi disepanjang sumbu yang sama dan karenanya sering overlap. Pengekstrakan intensitas refleksi individu menjadi sangat sulit, jadi pola diperhalus secara keseluruhan dengan menggunakan individu refleksi. Pola penghalusan ini disebut dengan metode Rietveld. Pola yang dihasilkan secara teoritis dari struktur percobaan dibandingkan dengan data eksperimen. Dengan penghalusan struktur percobaan dengan pemindahan atom, merubah paramter kisi, dst, struktur percobaan kemudian dirubah hingga pola teoritis menjadi kecocokan yang bagus dengan data eksperimen. Plot Le Bail hasil refinement senyawa Aurivillius Pb1-xBi3,5+xNd0,5Ti4-xMnxO15 dengan variasi komposisi dopant Mn3+ (x) dengan grup ruang A21am

26 Ukuran Kristal Formula Scherrer menghubungkan ukuran kristal dengan lebar puncak difraksinya, dan secara luas digunakan untuk menentukan distribusi ukuran partikel : Penurunan ukuran partikel dengan pelebaran puncak Perkembangan lebar puncak dengan penurunan ukuran t = Ukuran kristal (nm) B = nilai FWHM θ = Sudut Bragg  = panjang gelombang cahaya sinar X. K = konstanta “Shape Factor” (0,8-1)

27 2. Neutron Diffraction (XRD)
Neutron juga dapat digunakan untuk difraksi karena memiliki panjang gelombang sebanding dengan jarak interatomik, difraksi neutron memiliki cara yang sama dengan difraksi sinar-X. Difraksi sinar neutron bubuk lebih umum dibanding fasa tunggal, karena intensitas sinar cenderung 1000 kali kurang dari pada difraksi sinar-X. Difraksi Neutron sangat banyak digunakan sebagai pelengkap difraksi sinar-X, dimana neutron dapat berinteraksi yang sangat berbeda dengan isotop, dan dapat berinteraksi kuat dengan unsur ringan. Prinsip difraksi neutron secara umum mirip dengan percobaan sinar-X. 2 Macam percobaan difraksi neutron bubuk : Panjang gelombang tetap (mirip dengan sinar-X) : menggunakan sumber reaktor Sudut tetap (sudut insiden) : menggunakan sumber spalasi

28 Sumber reaktor Energi neutron dibentuk dengan proses fisi nuklir dari target uranium U + n  fragmen + 3 neutron Reaksi ini menghasilkan neutron berenergi tinggi dari panjang gelombang berubah,tetepi panjang gelombang tunggal diperlukan energi yang lebih rendah untuk difraksi percobaan. Pertama energi keseluruhan dikurangi dengan cara melewati moderator (cairan/padatan yang disimpan dalam suhu konstan). Pada tahap ini neutron mengalami tabrkan inelastis yang mengakibatkan hilangnya energi sampai tercapainya kesetimbangan termal. Energi dari panjang gelombang yang lebih panjang mengikuti distribusi boltzmann, yang bergantung pada cairan moderat

29 Pada percobaan panjang gelobang tunggal harus dipilih dari pita yang tersedia. Menurut hukum bragg, jika seberkas neutron tercermin dari satu bidang dari atom pada sudut tetap, maka panjang gelombang akan ditransmisikan : λ = 2d sinθ Hal ini dicapai dengan menggunakan monokromator double single-crystal (gambar 3.14) yang menggunakan dua kristal tunggal yang sejajar satu sama lain pada sudut yang tetap untuk mentransmisikan panjang gelombang tunggal. Sinar ini berupa monokromatis dan dapat digunakan untuk difraksi dan sama dengan percobaan sinar-X bubuk, dengan intensitas sebagai fungsi dari sudut hamburan. Monokromator double single-crystal

30 Perbedaan antara sinar-X dan Neutron
1. Variasi dengan sudut Sumber dari sinar-X merupakan interaksi antara foton dengan awan elektron Panjang gelombang antara sinar-x dan awan elektron berbeda jauh yang menyebabkan perbedaan dengan bentuk vektornya, Sayangnya, jarak ini hampir sama panjangnya dengan panjang gelombang sinar-X dan dimensi dari awan elektron, dimana penghamburan dari bagian yang berbeda dari awan tidak selalu berada difasanya. Ini menyebabkan adanya form factor dimana sedikit lebih kecil intensitasnya namun ukuran sudut penghamburannya meningkat. Neutron berinteraksi dengan inti atom dan karena sama sama memiliki muatan 0, interaksinya terjadi pada jarak yang jauh lebih pendek (10-13 daripada m). Inti atom bertindak sebagai titik penghambur dan tidak ada faktor pembentuk sebagai fungsi dari sudut. Perbedaan pada penghamburan sebagai fungsi dari sudut ditunjukkan pada gambar 3.16 Variation of scattering amplitude with angle

31 2. Variasi dengan unsur Sinar-X dihamburkan dengan elektron, maka jika pada suatu unsur elektronnya lebih banyak maka pengamburannya lebih baik. Pada pengestimasian pertamanya, penghamburan sebanding dengan nomor atomnya. Neutron dihamburkan oleh inti dan bergantung pada derajat pertama dari ukuran nukleus. Nukelus memiliki perbedaan ukuran yang sangat kecil pada atom di tabel periodik maka pengestimasian pertama penghamburan neutron biasanya sebanding dengan Z1/3. namun ini tidaklah lengkap, ada faktor yang belum terhitung yaitu penghamburan resonansi. Disini neutron diserap oleh nukelus dan dilepaskan kembali, ini adalah efek random dan bervariasi dari isotop ke isotop lainnya dan dapat menghasilkan penghamburan negatif seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.17 Variation of scattering length for X-rays and neutrons with atomic number

32 Eksperimen neutron Difraksi neutron dapat dilakukan dengan ketiga eksperimen dibawah yang mana tidak mungkin dilakukan dengan difraksi sinar-X : 1. Membedakan isotop dan (atom/ion) tetangganya Penghamburan resonansi berarti bahwa isotop dan tetangganya memiliki panjang penghamburan yang berbeda. Sebagai contoh 2 isotop nikel 55Ni (0.87) and 62Ni (1.44) atau Fe (0.95), Co (0.25) and Ni (1.02) (x10-12), dimana untuk sinar X, penghamburan akan cukup sebanding dengan nomor atom 26, 27 dan 28. Difraksi neutron sangat berguna sekali pada kajian mengenai alloy. 2. Panjang ikatan sebenarnya Sinar X dihamburkan oleh awan elektron, maka ikatan yang terpolarisasi mendistorsi awan dan representasi yang benar untuk posisi atom tidak dapat diketahui. Densiti elektron terdistorsi kearah unsur yang lebih elektronegatif, dan jarak yang terukur biasanya terlalu kecil. Seperti contoh, ikatan O-H biaanya terukur pada 0.8 A, yang mana lebih pendek daripada jumlah dari jari- jari ionik. Difraksi neutron mengukur jarak antara nukleus dan jarak dari ikatan sebenarnya terukur yaitu 0.96 A.

33 Mikroskop Elektron ME telah menjadi bagian yang sangat penting dibidang penentuan struktur, menghasilkan informasi morfologi, struktur permukaan dan komposisi unsur untuk fasa yang baru atau yang belum diketahi. Jumlah yang sangat kecil dari material yang dibutuhkan untuk eksperimen ini menandakna bahwa ME dapat digunakan tidak hanya untuk analisis cacat dan penentuan material besar, namun juga untuk kristal tunggal. Prinsipnya menggunakan sinar-X untuk mengimajinerkan strukur atomiknya. Panjang gelombang yang sangat pendek memungkinkan resolusi yang lebih tajam dibandingkan mikroskop optik biasa. Ada beberapa tipe ME yang dapat menggambarkan bentuk imej yang berbeda. mode transmisi (elektron melewati terus sampel) : TEM mode refleksi (elektron direfleksikan dari permukaan): SEM

34 Transmission Electron Microscope (TEM)
TEM menggunakan penghamburan elastik dan non elastik dari elektorn untuk menciptakan gambar yang dapat diinterpretasikan di layar atau pada plat fotografik. Gambar yang dihasilkan tidak memiliki profil kedalaman karena elektorn menembus sampel. Gambar yang dihasilkan dari TEM sangat bergantung kepada bagaimana sampel dipersiapkan, karena membutuhkan sampel film yang sangat tipis (~2000A) untuk menghasilkan gambar yang bagus. Gambar yang ingin dihasilkan dapat didapatkan dengan berbagai cara, termasuk pembombardiran ion. TEM dapat melihat cacat krsital seperti dislokasi, cacat penumpukan dan batas fasa.

35 works much like a light microscope, transmitting a beam of electrons through a thin specimen and then focusing the electrons to form an image on a screen or on film. Pass a beam of electrons through the specimen. The electrons that pass through the specimen are detected on a fluorescent screen on which the image is displayed. Pada TEM, sample yang sangat tipis ditembak dengan berkas electron yang berenergi sangat tinggi (dipercepat pada tegangan ratusan kV). Berkas electron dapat 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 bentuknya sama dengan bentuk bagian keras sample (bentuk partikel).

36 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM menggunakan elektron yang terpantulkan dari permukaan material untuk membentuk gambar, namun ketebalan sampel tidak dapat dillihat namun preparasi sampel jauh lebih simpel dibandingkan TEM. Probe menghasilkan sinar elektron terfokus berintensitas tinggi, yang menghambur balik dari permukaan dan secara terus menerus terukur sementara mikroskop berpindah dari titik satu ke titik lainnya pada permukaan sampel. SEM dapat digunakan untuk menggambarkan sampel dengan perbesaran yang sangat besar dari 1µm hingga 100µm, mampu mempelajari morfologi partikel dan ukuran, tekstur permukaan dan detil dan cacat permukaan seperti celah yang disebabkan oleh korosi atau gores. Pada sampel non konduktor permukaan dilapisi dengan emas atau grafit untuk menghindari penumpukan muatan permukaan.

37 Sampel yang terkena tembakan elektron akan memancarkan elektron dan X-ray.  Elektron yang dipancarkan oleh sampel berupa  backscattered electron (BSE) primer, secondary electron (SE), dan elektron auger. Pancaran elektron backscattered primer dan elektron sekunder akan diperkuat, kemudian detektor akan menangkap pancaran tersebut (BSE dan SE) serta X-ray, selanjutnya mengkonversi ketiganya menjadi sinyal yang kemudian dikirim ke layar monitor. Gambar yang terlihat pada monitor inilah hasil dari keseluruhan prosesnya. 

38 SEM TEM

39 Scanning Transmission Electron Microscope (STEM)
Teknik ini menggabungkan fitur dari SEM dan TEM, dan alat ini juga dapat digunakan pada bidang analitik karena sinyal pemindaian dikumpulan secara simultan. Gambar yang didapatkan dapat dianalisis untuk fitur seperti kedalaman, tekstur permukaan dan lain-lain.

40 Analisis Termal Metode termal digunakan untuk menentukan perubahan fasa sebagai fungsi temperatur dan untuk menentukan jumlah yang tidak diketahui, seperti tingkat hidrasi atau kandungan oksigen. Analisis termal dapat juga digunakan sebagai teknik untuk mengukur sifat material sebagai fungsi temperatur. Differential Scanning Calorimetry (DSC) Thermogravimetry analysis (TGA) Differential Thermal Analysis (DTA) Thermochemical Analysis (TMA) Dynamic Mechanical Analysis (DMA)

41 Analisis termogravimetri (TGA)
Teknik ini menangkap perubahan dalam berat sampel, ketika dipanaskan dalam gas/ udara, sebagai fungsi temperatur. Penyediaan produk akhir diketahui, perbedaan antara komposisi akhir dan awal dapat ditentukan, dimana penambahan atom telah disusun seperti gas/ air. Contoh Jejak TGA untuk penguraian Al2Si2O7.xH2O dalam udara setelah pemanasan produk akhir adalah Al2Si2O7, tentukan nilai x. Jika masa formula relatif Al2Si2O7 adalah A, kemudian penyusunan ulang memberikan jadi x = 2

42 Differential Thermal Analysis (DTA)
Saat material melewati perubahan fasa saat pemanasan, perubahan fasa itu sendiri memerlukan energi. Saat sampel dipanaskan dengan sampel standar, yang tidak menunjukkan perubahan, diferensial diantara keduanya akan jelas saat sampel aktif mencair dan mengalami perubahan suhu. Kurva DTA untuk dekomposisi kalinit dan rekristalisasinya ke mulit ditunjukkan pada gambar 3.23