MATERIAL ( 14 Files )
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Komparasi Analisis Ukuran Kristal Partikel Nano Magnetit Berbasis
Data Difraksi Sinar-X dengan Beragam Metode
NURUL HIDAYAT*), SUNARYONO, AHMAD TAUFIQ
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang. Jl. Semarang 5 Malang
E-mail : nurul.hidayat.fmipa@um.ac.id
*) PENULIS
KORESPONDEN
TEL: 0341-552125
ABSTRAK: Makalah ini memaparkan beberapa teknik analisis penentuan ukuran kristal dari
data XRD partikel nano magnetit (Fe3O4) hasil sintesis dengan metode kopresipitasi. Komparasi
ini dilakukan karena karakterisasi dan analisis (terutama ukuran) nanomaterial merupakan
tahapan krusial dalam riset material maju dan nanoteknologi. Teknik analaisis diawali dengan
analisis single line pada pola pelebaran puncak difraksi menggunakan persamaan Scherrer
berdasarkan nilai lebar setengah puncak setengah maksimum (FWHM-full width at half
maximum). Berikutnya dilanjutkan dengan analisis full parrtern menggunakan metode Rietveld
yang dilengkapi dengan koreksi pelebaran komponen puncak Lorentzian XRD material standard.
Terakhir, analisis distribusi ukuran kristal partikel nano magnetit juga diberikan. Hasil-hasil
analisis ukuran kristal tersebut kemudian dibandingkan dengan data HR-TEM (high resolution
transmission electron microscopy) dan SANS (small angle neutron scattering).
Kata Kunci: ukuran kristal, XRD, partikel nano magnetit.
PENDAHULUAN
Perkembangan sains dan teknologi nano, khususnya yang berbasis partikel nano
Fe3O4, telah memasuki babak yang sangat progresif. Realita ini paling tidak dibuktikan
oleh fantastisnya angka hasil pencarian konten yang berhubungan dengan topik ini di
mesin pencari (search engine) paling popular di dunia, Google (www.google.com).
Bahkan jika hasil pencarian secara spesifik dilakukan di pengelola jurnal internasional
bereputasi dan berfaktor dampak, misalnya Elsevier, melalui platform Sciencedirect
(www.sciencedirect.com) seperti diberikan dalam Tabel 1.
Tabel 1. Hasil Pencarian Konten yang Berhubungan dengan Sains dan Teknologi Nano
(Fe3O4) melalui A (www.google.com) dan B (www.sciencedirect.com) Per Agustus 2016
Kata Kunci
Nanotechnology
Nanoscience
Nanoparticle
Fe3O4
Fe3O4 Nanoparticles
Hasil Pencarian
A
B
22.100.000
81.654
3.420.000
26.636
6.770.000
241.429
1.670.000
29.992
270.000
16.011
Partikel nano Fe3O4 merupakan salah satu material primadona yang menarik
banyak perhatian pakar baik dari sisi saintifik ataupun teknologi (Upadhyay dkk,
2016). Selain sintesis dan aplikasi, tahapan yang paling krusial yang harus
diperhatikan para peneliti dalam mengkaji partikel nano adalah karakterisasi. Salah
satu karakteristik fundamental partikel nano adalah ukurannya (Pratapa dkk, 2010):
baik ukuran partikel atau ukuran kristal. Secara detail, Chen dkk (2012), Liu dkk
(2016), dan Upadhyay dkk (2016) mengupas tuntas pengaruh ukuran kristal terhadap
sifat-sifat partikel nano Fe3O4.
Difraktometer sinar-X (XRD) adalah sebuah alat karakterisasi yang efektif untuk
mengevaluasi struktur dan ukuran kristal. Ukuran kristal dapat dikuantifikasi dari
pelebaran puncak XRD. Pelebaran puncak difraksi diperoleh dengan mengukur nilai
FWHM. Paul Scherrer menjadi ilmuan pertama yang berhasil menentukan ukuran
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-1
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
kristal dari data pelebaran puncak difraksi (Scherrer, 1918). Penting untuk
diperhatikan bahwa pelebaran puncak difraksi tidak hanya dipengarungi oleh ukuran
kristal, tetapi juga oleh regangan kisi dan faktor instrumen (Mishra dkk, 2015). Oleh
karena itu, beberapa peneliti melakukan modifikasi pada persamaan Scherrer dengan
memperhatikan koreksi alat (Monshi dkk, 2012). Lebih jauh, Pratapa dkk (2010)
menekankan bahwa penentuan ukuran kristal berdasarkan data difraksi ada pada
dekonvolusi profil spesimen dan profil terukur.
Dalam makalah ini, asesmen ukuran kristal berbasis data XRD dilakukan dengan
beragam cara sehingga diperoleh guidline cara mana yang dapat digunakan untuk
menentukan ukuran kristal, secara spesifik untuk partikel nano Fe 3O4.
METODE PENELITIAN
Metode kopresipitasi digunakan untuk mensistesis partikel nano Fe 3O4 dengan
material dasar pasir besi dari Tulungagung. Pasir besi yang telah dipisahkan dengan
separator magnetik kemudian dilarutkan ke dalam HCl (PA, Sigma Aldrich)
menggunakan pengaduk magnetik dan ditetesi NH4OH (PA, Sigma Aldrich) secara
perlahan-lahan sampai terbentuk presipitat Fe3O4. Selanjutnya, presipitat Fe3O4 dicuci
dengan DI-water hingga tercapai pH normal dan dikeringkan.
Data difraksi sinar-X diperoleh melalui pengujian sampel menggunakan
difraktometer sinar-X Bragg-Brentano dengan radiasi Cu-K 1,54060 Å yang dihasilkan
oleh sumber tegangan 40 kV dan sumber arus 30 mA. Sudut pengukuran 2θ dimulai
dari 20-70 menggunakan automatic divergence slit.
Analisis data XRD dimulai dengan indentifikasi fasa dengan perangkat lunak X Pert
High Score Plus berbasis data PDF2. Analisis ukuran kristal dilakukan dengan
pendekatan klasik melalui penerapan persamaan Scherrer (Pers. (1)), dengan
menggunakan data pelebaran puncak setengah maksimum (FWHM). Selanjutnya,
ukuran kristal juga dianalisis dengan menggunakan metode Rietveld (Rietveld, 1969)
melalui program Rietica (Hunter, 1998) dan MAUD (Lutteroti, 2016). Metode Rietveld
dengan Rietica dan MAUD dipilih karena dengan analisis ini koreksi alat dimungkinkan
untuk dilakukan untuk asesmen data ukuran kristal.
(1)
dengan D ukuran kristal (nm), λ adalah panjang gelombang sinar-X (nm), k adalah
konstanta yang berhubungan dengan bentuk kristalin (umumnya diambil nilai 0,9), β
adalah FWHM, sementara θ adalah sudut difraksi.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Identifikasi Fasa dengan X Pert High Score Plus
Hasil identifikasi fasa dengan menggunakan teknik search-match menunjukkan
dengan sangat jelas bahwa sampel Fe3O4 hasil sintesis dengan metode kopresipitasi
bersesuaian dengan pola XRD magnetit Fe3O4 dengan kode referensi (PDF) 01-088-0315.
Tidak ada satu pun puncak difraksi yang tidak teridentifikasi sebagai Fe 3O4. Dengan
kata lain, sampel yang dihasilkan adalah Fe3O4 berfasa tunggal; tanpa adanya
impurritas. Plot hasil identifikasi fasa dapat dilihat dalam Gambar 1.
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-2
Fe3 O4
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Fe3O4
Fe3 O4
Fe3 O4
225
Fe3 O4
Fe3 O4
Fe3 O4
Fe3 O4
Fe3 O4
100
25
0
30
40
50
60
Position [°2Theta]
Gambar 1. Plot identifikasi puncak difraksi sampel Fe3O4 dengan X pert High Score
Plus.
Analisis Ukuran Kristal: Persamaan Scherrer
Nilai ukuran kristal yang diperoleh dari persamaan Scherrer ditampilkan dalam Tabel
1. Nilai 2θ dan FWHM dalam Tabel 1 diperoleh dari luaran analisis identifikasi fasa
menggunakan X Pert High Score Plus. Dari Tabel 1 nampak dengan jelas bahwa nilai
FWHM untuk setiap puncak difraksi tidak seragam. Ketakseragaman nilai FWHM ini
berimplikasi pada nilai ukuran kristal yang juga bervariasi. Puncak difraksi yang
menghasilkan ukuran kristal sekitar 13 nm adalah puncak difraksi pada bidang hkl (022)
dan (044); (h, k = l). Ukuran kristal sekitar 20 nm dihasilkan dari puncak difraksi pada
bidang hkl (113), (004), (224), dan (115); (h = k, l). Semenatar itu, bidang (133) memberikan
ukuran kristal yang sangat besar, 96 nm. Hal ini dikarenakan relative rendahnya
intensitas difraksi pada sudut 47,22 sehingga nilai ukuran kristal menjadi bias.
Tabel 1. Ukuran Kristal; Persamaan Scherrer
(hkl)
(022)
(113)
(222)
(004)
(133)
(224)
(115)
(044)
2θ
(°)
30,16
35,66
37,33
43,29
47,22
53,61
57,21
62,74
FWHM
(°)
0,630
0,394
0,277
0,472
0,090
0,472
0,472
0,672
Ukuran Kristal
(nm)
13,06
21,20
30,24
18,10
96,33
18,85
19,16
13,85
Banyak artikel jurnal ilmiah yang melaporkan ukuran kristal berbasi Persamaan
Scherrer ini dengan mengambil puncak tertinggi saja. Untuk data XRD Fe 3O4,
umumnya yang diambil adalah puncak (113) pada sudut difraksi 35,66. Dengan
demikian, ukuran kristal yang diperoleh adalah 21,20 nm.
Ukuran kristal yang diperoleh dari persamaan Scherrer terkoreksi dari luaran
analisis Rietveld diberikan secara lengkap dalam Tabel 2. Dibandingkan dengan Tabel
1, Tabel 2 memberikan informasi yang lebih menggembirakan dengan seragamnya
ukuran kristal yang dihasilkan oleh semua puncak difraksi. Nilai 2θ dan FWHM dalam
Tabel 2 diperoleh dari luaran analisis Rietveld menggunakan RIETICA. Plot luaran
hasil analisis Rietveld dengan RIETICA diberikan pada Gambar 2.
Berdasarkan Gambar 2, penghalusan data terukur dan terhitung telah dilakukan
dengan sangat baik sebagaimana terlihat dari sesuainya pola difraksi sinar-X terukur
dan terhitung untuk kristal Fe3O4. GoF yang diperoleh telah menunjukkan angka yang
dapat diterima (di bawah 4%). Bahkan hasil analisis menunjukkan angka di bawah 1%,
persisnya adalah 0,6%. Angka yang sangat kecil untuk nilai GoF analisis Rietveld.
Dengan demikian, hasil analisis penghalusan Rietveld ini dapat digunakan untuk
analisis lebih lanjut, bukan hanya struktur kristal yang mencakup parameter kisi tetapi
juga ukuran kristal.
Data luaran analisis Rietveld dengan RIETICA menunjukkan bahwa partikel nano
Fe3O4 hasil sintesis dengan metode kopresipitasi mengkristal dengan struktur spinel
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-3
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
kubik dan parameter kisi 8,379(2) Å. Lebih lanjut, Tabel 2 memberikan informasi bahwa
semua bidang (hkl) memberikan ukuran kristal sekitar 11 nm dengan deviasi yang
sangat kecil. Faktor koreksi instrument yang diperhitungkan dengan jelas menjadikan
hasil perhitungan ukuran kristal semakin valid.
Tabel 2. Ukuran Kristal; Persamaan Scherrer Terkoreksi
(hkl)
(022)
(113)
(222)
(004)
(133)
(224)
(115)
(044)
2θ
(°)
30,14
35,50
37,14
43,15
47,24
53,53
57,21
62,66
FWHM
(°)
0,748
0,757
0,761
0,775
0,786
0,805
0,818
0,840
Ukuran Kristal
(nm)
11,00
11,02
11,01
11,02
11,03
11,05
11,06
11,07
Analisis Ukuran Kristal: Metode Rietveld
Gambar 2. Plot Luaran Analisis Rietveld menggunakan RIETICA untuk Partikel Nano
Fe3O4. GoF = 0,6%. Data terukur direpresentasikan dengan tanda (+) dan data
kalkulasi oleh garis penuh. Garis hijau di bagian bawah menunjukkan selisih antara
data terukur dan terhitung.
Di samping RIETICA, MAUD dikenal sebagai salah satu perangkat lunak analisis
Rietveld yang diklaim lebih baik dalam penentuan ukuran kristal (Pratapa dkk, 2010).
Pasalnya, perangkat lunak ini dapat mengekstraksi ukuran kristal rata-rata beserta
distribusi frekuensi berdasarkan model matematis yang mencakup factor koreksi
eksternal standar. Fungsi profil puncak yang dipilih untuk keperluan analisis ini adalah
TCH-pseudo Voigt (Thompson dkk, 1987) yang memungkinkan distribusi lognormal
ukuran kristal dapat ditampilkan.
Plot luaran hasil analisis Rietveld dengan program MAUD diberikan pada Gambar
3 dan kecocokan sekuensi 2θ-intensitas ditampilkan dalam Gambar 4. Sebagaimana
hasil analisis dengan RIETICA, Gambar 3 dan 4 menunjukkan bahwa analisis Rietveld
telah dilakukan dengan sangat baik sehingga hasil ini dapat digunakan untuk
keperluan analisis lebih lanjut, terutama dalam penentuan ukuran kristal dan
distribusi log-normalnya.
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-4
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Gambar 3. Plot Luaran Analisis Rietveld menggunakan MAUD untuk Partikel Nano
Fe3O4. GoF = 0,9%. Data terukur direpresentasikan dengan tanda (⋅) dan data kalkulasi
oleh garis penuh. Garis hitam di bagian bawah menunjukkan selisih antara data
terukur dan terhitung.
Gambar 4. Kesesuaian sekuensi 2θ -intensitas untuk Fe3O4 yang dihasilkan dari
program MAUD.
Gambar 5. Distribusi Ukuran Kristal Fe3O4 yang dihasilkan dari program MAUD.
Melengkapi hasil analisis Rietveld dengan progam MAUD, luaran distribusi ukuran
kristal juga diberikan pada Gambar 5. Berdasarkan Gambar 5, ukuran kistal paling
dominan ada di sekitar 10,3 nm, dekat dengan hasil analisis yang telah dipaparkan
pada Tabel 2.
Sebagai klarifikasi, sebagaimana telah dilaporkan pada artikel sebelumnya (Taufiq
dkk, 2015) bahwa ukuran partikel magnetit berdasarkan data HRTEM adalah 2,5 nm
(untuk partikel primer) dan 8nm (untuk partikel sekunder). Ukuran partikel kecil
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-5
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
(primary particle) 3,8 nm yang membentuk ukuran partikel besar (secondary particle)
9,3 nm. Ukuran partikel dari data HRTEM dan SANS yang dapat dibandingkan dengan
data XRD adalah ukuran partikel sekunder. Dengan demikian, data ukuran kristal
Fe3O4 berdasarkan data XRD hasil analisis MAUD adalah nilai yang paling dekat
dengan data HRTEM dan SANS.
KESIMPULAN
Untuk partikel nano Fe3O4, hasil ukuran kristal berdasarkan persamaan Scherrer
dengan memperhatikan koreksi pelebaran puncak difraksi menunjukkan nilai ukuran
kristal yang lebih sergam . Ukuran kristal Fe3O4 dari analisis Rietveld dengan program
MAUD menunjukkan nilai yang relatif dekat dengan data HRTEM dan SANS.
DAFTAR RUJUKAN
Chen, R., Cheng, J., Wei, Y., 2012. Preparation and Magnetic Properties of Fe 3O4
Microparticles with Adjustable Size and Morphology. Journal of Alloys and
Compounds, vol. 20, 266 271.
Hunter, B., 1998. Rietica - A visual Rietveld program. International Union of
Crystallography Commission on Powder Diffraction Newsletter No. 20, 21.
Liu, Y., Cui, Tingting., Li, Yana., Zhao, Yanting., Ye, Yucheng., Wu, Wenhua., Tong,
Guoxiu., 2016. Effects of Crystal Size and Sphere Diameter on Static Magnetic and
Electromagnetic Properties of Monodisperse Fe3O4 Microspheres. Materials Chemistry
and Physics, vol. xxx, 1-9.
Lutteroti, L., http://www.ing.unitn.it/~maud (accessed 1 August, 2016)
Mishra, S. K., Roy, H., Lohar, A.K., Samanta, S. K., Tiwari, S., Dutta, K., A Comparative
Assessment of Crystallite Size and Lattice Strain in Differently Cast A356 Aluminium
Alloy. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, vol. 75, 012001.
Monshi, A., Foroughi, M. R., Monshi, M. R., 2012. Modified Scherrer Equation to
Estimate More Accurately Nano-Crystallite Size Using XRD. World Journal of Nano
Science and Engineering, vol. 2, 154-160.
Scherrer, P., 1918. Bestimung der Grosse und der Inneren Struktur von Kolloidteilchen
Mittels Röntgenstrahlen, Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften,
Göttingen. Mathematisch-Physikalische Klasse, Vol. 2, 98-100.
Pratapa, S., Susanti, L., Insany, Y.A.S., Alfiati, Z., Hartono, B., Mashuri, Taufiq, A.,
Fuad, A., Triwikantoro, Baqiya, M.A., Purwaningsih, S., Yahya, E., Darminto., 2010.
XRD Line-broadening Characteristics of M-oxides (M = Mg, Mg-Al, Y, Fe)
Nanoparticles Produced by Coprecipitation Method. AIP Conference Proceedings, vol.
1284, 125 128.
Rietveld, H.M., 1969. A Profile Refinement Method for Nuclear and Magnetic Structures.
Journal of Applied Crystallography, vol. 2, 65-71.
Taufiq, A., Sunaryono, Putra, E. G. R., Okazawa, A., Watanabe, I., Kojima, N., Pratapa,
S., Darminto., 2015. Nanoscale Clustering and Magnetic Properties of Mn xFe3 xO4
Particles Prepared from Natural Magnetite. Journal of Superconductivity Novel
Magnetism, vol. 28, 2855 2863.
Thompson, P., Cox, D. E., Hastings, J.B., 1987. Rietveld refinement of Debye-Scherrer
synchrotron X-ray data from Al2O3. Journal of Applied Crystallography, vol. 20, 79-83.
Upadhyay, S., Parekh, K., Pandey, B., 2016. Influence of Crystallite Size on the Magnetic
Properties of Fe3O4 Nanoparticles. Journal of Alloys and Compounds, vol. 678, 478485.
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-6
Komparasi Analisis Ukuran Kristal Partikel Nano Magnetit Berbasis
Data Difraksi Sinar-X dengan Beragam Metode
NURUL HIDAYAT*), SUNARYONO, AHMAD TAUFIQ
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang. Jl. Semarang 5 Malang
E-mail : nurul.hidayat.fmipa@um.ac.id
*) PENULIS
KORESPONDEN
TEL: 0341-552125
ABSTRAK: Makalah ini memaparkan beberapa teknik analisis penentuan ukuran kristal dari
data XRD partikel nano magnetit (Fe3O4) hasil sintesis dengan metode kopresipitasi. Komparasi
ini dilakukan karena karakterisasi dan analisis (terutama ukuran) nanomaterial merupakan
tahapan krusial dalam riset material maju dan nanoteknologi. Teknik analaisis diawali dengan
analisis single line pada pola pelebaran puncak difraksi menggunakan persamaan Scherrer
berdasarkan nilai lebar setengah puncak setengah maksimum (FWHM-full width at half
maximum). Berikutnya dilanjutkan dengan analisis full parrtern menggunakan metode Rietveld
yang dilengkapi dengan koreksi pelebaran komponen puncak Lorentzian XRD material standard.
Terakhir, analisis distribusi ukuran kristal partikel nano magnetit juga diberikan. Hasil-hasil
analisis ukuran kristal tersebut kemudian dibandingkan dengan data HR-TEM (high resolution
transmission electron microscopy) dan SANS (small angle neutron scattering).
Kata Kunci: ukuran kristal, XRD, partikel nano magnetit.
PENDAHULUAN
Perkembangan sains dan teknologi nano, khususnya yang berbasis partikel nano
Fe3O4, telah memasuki babak yang sangat progresif. Realita ini paling tidak dibuktikan
oleh fantastisnya angka hasil pencarian konten yang berhubungan dengan topik ini di
mesin pencari (search engine) paling popular di dunia, Google (www.google.com).
Bahkan jika hasil pencarian secara spesifik dilakukan di pengelola jurnal internasional
bereputasi dan berfaktor dampak, misalnya Elsevier, melalui platform Sciencedirect
(www.sciencedirect.com) seperti diberikan dalam Tabel 1.
Tabel 1. Hasil Pencarian Konten yang Berhubungan dengan Sains dan Teknologi Nano
(Fe3O4) melalui A (www.google.com) dan B (www.sciencedirect.com) Per Agustus 2016
Kata Kunci
Nanotechnology
Nanoscience
Nanoparticle
Fe3O4
Fe3O4 Nanoparticles
Hasil Pencarian
A
B
22.100.000
81.654
3.420.000
26.636
6.770.000
241.429
1.670.000
29.992
270.000
16.011
Partikel nano Fe3O4 merupakan salah satu material primadona yang menarik
banyak perhatian pakar baik dari sisi saintifik ataupun teknologi (Upadhyay dkk,
2016). Selain sintesis dan aplikasi, tahapan yang paling krusial yang harus
diperhatikan para peneliti dalam mengkaji partikel nano adalah karakterisasi. Salah
satu karakteristik fundamental partikel nano adalah ukurannya (Pratapa dkk, 2010):
baik ukuran partikel atau ukuran kristal. Secara detail, Chen dkk (2012), Liu dkk
(2016), dan Upadhyay dkk (2016) mengupas tuntas pengaruh ukuran kristal terhadap
sifat-sifat partikel nano Fe3O4.
Difraktometer sinar-X (XRD) adalah sebuah alat karakterisasi yang efektif untuk
mengevaluasi struktur dan ukuran kristal. Ukuran kristal dapat dikuantifikasi dari
pelebaran puncak XRD. Pelebaran puncak difraksi diperoleh dengan mengukur nilai
FWHM. Paul Scherrer menjadi ilmuan pertama yang berhasil menentukan ukuran
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-1
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
kristal dari data pelebaran puncak difraksi (Scherrer, 1918). Penting untuk
diperhatikan bahwa pelebaran puncak difraksi tidak hanya dipengarungi oleh ukuran
kristal, tetapi juga oleh regangan kisi dan faktor instrumen (Mishra dkk, 2015). Oleh
karena itu, beberapa peneliti melakukan modifikasi pada persamaan Scherrer dengan
memperhatikan koreksi alat (Monshi dkk, 2012). Lebih jauh, Pratapa dkk (2010)
menekankan bahwa penentuan ukuran kristal berdasarkan data difraksi ada pada
dekonvolusi profil spesimen dan profil terukur.
Dalam makalah ini, asesmen ukuran kristal berbasis data XRD dilakukan dengan
beragam cara sehingga diperoleh guidline cara mana yang dapat digunakan untuk
menentukan ukuran kristal, secara spesifik untuk partikel nano Fe 3O4.
METODE PENELITIAN
Metode kopresipitasi digunakan untuk mensistesis partikel nano Fe 3O4 dengan
material dasar pasir besi dari Tulungagung. Pasir besi yang telah dipisahkan dengan
separator magnetik kemudian dilarutkan ke dalam HCl (PA, Sigma Aldrich)
menggunakan pengaduk magnetik dan ditetesi NH4OH (PA, Sigma Aldrich) secara
perlahan-lahan sampai terbentuk presipitat Fe3O4. Selanjutnya, presipitat Fe3O4 dicuci
dengan DI-water hingga tercapai pH normal dan dikeringkan.
Data difraksi sinar-X diperoleh melalui pengujian sampel menggunakan
difraktometer sinar-X Bragg-Brentano dengan radiasi Cu-K 1,54060 Å yang dihasilkan
oleh sumber tegangan 40 kV dan sumber arus 30 mA. Sudut pengukuran 2θ dimulai
dari 20-70 menggunakan automatic divergence slit.
Analisis data XRD dimulai dengan indentifikasi fasa dengan perangkat lunak X Pert
High Score Plus berbasis data PDF2. Analisis ukuran kristal dilakukan dengan
pendekatan klasik melalui penerapan persamaan Scherrer (Pers. (1)), dengan
menggunakan data pelebaran puncak setengah maksimum (FWHM). Selanjutnya,
ukuran kristal juga dianalisis dengan menggunakan metode Rietveld (Rietveld, 1969)
melalui program Rietica (Hunter, 1998) dan MAUD (Lutteroti, 2016). Metode Rietveld
dengan Rietica dan MAUD dipilih karena dengan analisis ini koreksi alat dimungkinkan
untuk dilakukan untuk asesmen data ukuran kristal.
(1)
dengan D ukuran kristal (nm), λ adalah panjang gelombang sinar-X (nm), k adalah
konstanta yang berhubungan dengan bentuk kristalin (umumnya diambil nilai 0,9), β
adalah FWHM, sementara θ adalah sudut difraksi.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Identifikasi Fasa dengan X Pert High Score Plus
Hasil identifikasi fasa dengan menggunakan teknik search-match menunjukkan
dengan sangat jelas bahwa sampel Fe3O4 hasil sintesis dengan metode kopresipitasi
bersesuaian dengan pola XRD magnetit Fe3O4 dengan kode referensi (PDF) 01-088-0315.
Tidak ada satu pun puncak difraksi yang tidak teridentifikasi sebagai Fe 3O4. Dengan
kata lain, sampel yang dihasilkan adalah Fe3O4 berfasa tunggal; tanpa adanya
impurritas. Plot hasil identifikasi fasa dapat dilihat dalam Gambar 1.
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-2
Fe3 O4
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Fe3O4
Fe3 O4
Fe3 O4
225
Fe3 O4
Fe3 O4
Fe3 O4
Fe3 O4
Fe3 O4
100
25
0
30
40
50
60
Position [°2Theta]
Gambar 1. Plot identifikasi puncak difraksi sampel Fe3O4 dengan X pert High Score
Plus.
Analisis Ukuran Kristal: Persamaan Scherrer
Nilai ukuran kristal yang diperoleh dari persamaan Scherrer ditampilkan dalam Tabel
1. Nilai 2θ dan FWHM dalam Tabel 1 diperoleh dari luaran analisis identifikasi fasa
menggunakan X Pert High Score Plus. Dari Tabel 1 nampak dengan jelas bahwa nilai
FWHM untuk setiap puncak difraksi tidak seragam. Ketakseragaman nilai FWHM ini
berimplikasi pada nilai ukuran kristal yang juga bervariasi. Puncak difraksi yang
menghasilkan ukuran kristal sekitar 13 nm adalah puncak difraksi pada bidang hkl (022)
dan (044); (h, k = l). Ukuran kristal sekitar 20 nm dihasilkan dari puncak difraksi pada
bidang hkl (113), (004), (224), dan (115); (h = k, l). Semenatar itu, bidang (133) memberikan
ukuran kristal yang sangat besar, 96 nm. Hal ini dikarenakan relative rendahnya
intensitas difraksi pada sudut 47,22 sehingga nilai ukuran kristal menjadi bias.
Tabel 1. Ukuran Kristal; Persamaan Scherrer
(hkl)
(022)
(113)
(222)
(004)
(133)
(224)
(115)
(044)
2θ
(°)
30,16
35,66
37,33
43,29
47,22
53,61
57,21
62,74
FWHM
(°)
0,630
0,394
0,277
0,472
0,090
0,472
0,472
0,672
Ukuran Kristal
(nm)
13,06
21,20
30,24
18,10
96,33
18,85
19,16
13,85
Banyak artikel jurnal ilmiah yang melaporkan ukuran kristal berbasi Persamaan
Scherrer ini dengan mengambil puncak tertinggi saja. Untuk data XRD Fe 3O4,
umumnya yang diambil adalah puncak (113) pada sudut difraksi 35,66. Dengan
demikian, ukuran kristal yang diperoleh adalah 21,20 nm.
Ukuran kristal yang diperoleh dari persamaan Scherrer terkoreksi dari luaran
analisis Rietveld diberikan secara lengkap dalam Tabel 2. Dibandingkan dengan Tabel
1, Tabel 2 memberikan informasi yang lebih menggembirakan dengan seragamnya
ukuran kristal yang dihasilkan oleh semua puncak difraksi. Nilai 2θ dan FWHM dalam
Tabel 2 diperoleh dari luaran analisis Rietveld menggunakan RIETICA. Plot luaran
hasil analisis Rietveld dengan RIETICA diberikan pada Gambar 2.
Berdasarkan Gambar 2, penghalusan data terukur dan terhitung telah dilakukan
dengan sangat baik sebagaimana terlihat dari sesuainya pola difraksi sinar-X terukur
dan terhitung untuk kristal Fe3O4. GoF yang diperoleh telah menunjukkan angka yang
dapat diterima (di bawah 4%). Bahkan hasil analisis menunjukkan angka di bawah 1%,
persisnya adalah 0,6%. Angka yang sangat kecil untuk nilai GoF analisis Rietveld.
Dengan demikian, hasil analisis penghalusan Rietveld ini dapat digunakan untuk
analisis lebih lanjut, bukan hanya struktur kristal yang mencakup parameter kisi tetapi
juga ukuran kristal.
Data luaran analisis Rietveld dengan RIETICA menunjukkan bahwa partikel nano
Fe3O4 hasil sintesis dengan metode kopresipitasi mengkristal dengan struktur spinel
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-3
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
kubik dan parameter kisi 8,379(2) Å. Lebih lanjut, Tabel 2 memberikan informasi bahwa
semua bidang (hkl) memberikan ukuran kristal sekitar 11 nm dengan deviasi yang
sangat kecil. Faktor koreksi instrument yang diperhitungkan dengan jelas menjadikan
hasil perhitungan ukuran kristal semakin valid.
Tabel 2. Ukuran Kristal; Persamaan Scherrer Terkoreksi
(hkl)
(022)
(113)
(222)
(004)
(133)
(224)
(115)
(044)
2θ
(°)
30,14
35,50
37,14
43,15
47,24
53,53
57,21
62,66
FWHM
(°)
0,748
0,757
0,761
0,775
0,786
0,805
0,818
0,840
Ukuran Kristal
(nm)
11,00
11,02
11,01
11,02
11,03
11,05
11,06
11,07
Analisis Ukuran Kristal: Metode Rietveld
Gambar 2. Plot Luaran Analisis Rietveld menggunakan RIETICA untuk Partikel Nano
Fe3O4. GoF = 0,6%. Data terukur direpresentasikan dengan tanda (+) dan data
kalkulasi oleh garis penuh. Garis hijau di bagian bawah menunjukkan selisih antara
data terukur dan terhitung.
Di samping RIETICA, MAUD dikenal sebagai salah satu perangkat lunak analisis
Rietveld yang diklaim lebih baik dalam penentuan ukuran kristal (Pratapa dkk, 2010).
Pasalnya, perangkat lunak ini dapat mengekstraksi ukuran kristal rata-rata beserta
distribusi frekuensi berdasarkan model matematis yang mencakup factor koreksi
eksternal standar. Fungsi profil puncak yang dipilih untuk keperluan analisis ini adalah
TCH-pseudo Voigt (Thompson dkk, 1987) yang memungkinkan distribusi lognormal
ukuran kristal dapat ditampilkan.
Plot luaran hasil analisis Rietveld dengan program MAUD diberikan pada Gambar
3 dan kecocokan sekuensi 2θ-intensitas ditampilkan dalam Gambar 4. Sebagaimana
hasil analisis dengan RIETICA, Gambar 3 dan 4 menunjukkan bahwa analisis Rietveld
telah dilakukan dengan sangat baik sehingga hasil ini dapat digunakan untuk
keperluan analisis lebih lanjut, terutama dalam penentuan ukuran kristal dan
distribusi log-normalnya.
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-4
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Gambar 3. Plot Luaran Analisis Rietveld menggunakan MAUD untuk Partikel Nano
Fe3O4. GoF = 0,9%. Data terukur direpresentasikan dengan tanda (⋅) dan data kalkulasi
oleh garis penuh. Garis hitam di bagian bawah menunjukkan selisih antara data
terukur dan terhitung.
Gambar 4. Kesesuaian sekuensi 2θ -intensitas untuk Fe3O4 yang dihasilkan dari
program MAUD.
Gambar 5. Distribusi Ukuran Kristal Fe3O4 yang dihasilkan dari program MAUD.
Melengkapi hasil analisis Rietveld dengan progam MAUD, luaran distribusi ukuran
kristal juga diberikan pada Gambar 5. Berdasarkan Gambar 5, ukuran kistal paling
dominan ada di sekitar 10,3 nm, dekat dengan hasil analisis yang telah dipaparkan
pada Tabel 2.
Sebagai klarifikasi, sebagaimana telah dilaporkan pada artikel sebelumnya (Taufiq
dkk, 2015) bahwa ukuran partikel magnetit berdasarkan data HRTEM adalah 2,5 nm
(untuk partikel primer) dan 8nm (untuk partikel sekunder). Ukuran partikel kecil
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-5
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
(primary particle) 3,8 nm yang membentuk ukuran partikel besar (secondary particle)
9,3 nm. Ukuran partikel dari data HRTEM dan SANS yang dapat dibandingkan dengan
data XRD adalah ukuran partikel sekunder. Dengan demikian, data ukuran kristal
Fe3O4 berdasarkan data XRD hasil analisis MAUD adalah nilai yang paling dekat
dengan data HRTEM dan SANS.
KESIMPULAN
Untuk partikel nano Fe3O4, hasil ukuran kristal berdasarkan persamaan Scherrer
dengan memperhatikan koreksi pelebaran puncak difraksi menunjukkan nilai ukuran
kristal yang lebih sergam . Ukuran kristal Fe3O4 dari analisis Rietveld dengan program
MAUD menunjukkan nilai yang relatif dekat dengan data HRTEM dan SANS.
DAFTAR RUJUKAN
Chen, R., Cheng, J., Wei, Y., 2012. Preparation and Magnetic Properties of Fe 3O4
Microparticles with Adjustable Size and Morphology. Journal of Alloys and
Compounds, vol. 20, 266 271.
Hunter, B., 1998. Rietica - A visual Rietveld program. International Union of
Crystallography Commission on Powder Diffraction Newsletter No. 20, 21.
Liu, Y., Cui, Tingting., Li, Yana., Zhao, Yanting., Ye, Yucheng., Wu, Wenhua., Tong,
Guoxiu., 2016. Effects of Crystal Size and Sphere Diameter on Static Magnetic and
Electromagnetic Properties of Monodisperse Fe3O4 Microspheres. Materials Chemistry
and Physics, vol. xxx, 1-9.
Lutteroti, L., http://www.ing.unitn.it/~maud (accessed 1 August, 2016)
Mishra, S. K., Roy, H., Lohar, A.K., Samanta, S. K., Tiwari, S., Dutta, K., A Comparative
Assessment of Crystallite Size and Lattice Strain in Differently Cast A356 Aluminium
Alloy. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, vol. 75, 012001.
Monshi, A., Foroughi, M. R., Monshi, M. R., 2012. Modified Scherrer Equation to
Estimate More Accurately Nano-Crystallite Size Using XRD. World Journal of Nano
Science and Engineering, vol. 2, 154-160.
Scherrer, P., 1918. Bestimung der Grosse und der Inneren Struktur von Kolloidteilchen
Mittels Röntgenstrahlen, Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften,
Göttingen. Mathematisch-Physikalische Klasse, Vol. 2, 98-100.
Pratapa, S., Susanti, L., Insany, Y.A.S., Alfiati, Z., Hartono, B., Mashuri, Taufiq, A.,
Fuad, A., Triwikantoro, Baqiya, M.A., Purwaningsih, S., Yahya, E., Darminto., 2010.
XRD Line-broadening Characteristics of M-oxides (M = Mg, Mg-Al, Y, Fe)
Nanoparticles Produced by Coprecipitation Method. AIP Conference Proceedings, vol.
1284, 125 128.
Rietveld, H.M., 1969. A Profile Refinement Method for Nuclear and Magnetic Structures.
Journal of Applied Crystallography, vol. 2, 65-71.
Taufiq, A., Sunaryono, Putra, E. G. R., Okazawa, A., Watanabe, I., Kojima, N., Pratapa,
S., Darminto., 2015. Nanoscale Clustering and Magnetic Properties of Mn xFe3 xO4
Particles Prepared from Natural Magnetite. Journal of Superconductivity Novel
Magnetism, vol. 28, 2855 2863.
Thompson, P., Cox, D. E., Hastings, J.B., 1987. Rietveld refinement of Debye-Scherrer
synchrotron X-ray data from Al2O3. Journal of Applied Crystallography, vol. 20, 79-83.
Upadhyay, S., Parekh, K., Pandey, B., 2016. Influence of Crystallite Size on the Magnetic
Properties of Fe3O4 Nanoparticles. Journal of Alloys and Compounds, vol. 678, 478485.
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-6