Teknik difraksi neutron sebagai komplemen dati PENDAHULUAN TINGGI (HRPD) PPSM ABSTRAK ABSTRACT TATA KERJA 2.01

Transkripsi

1 2.1 7 Buku Prosiding Pertemua/J dan Pre:rentasi lmiah PPNY-BATAN. Yogyakarta Apri11995 OPTMAS DFRAKTOMETER TNGG (HRPD) PPSM NEU1RON SERBUK RESOLUS W. Prasuad Epung S.B Gunawan Ridwan Marsongkohadi PPSM-BATAN Kawasan Puspitek Serpong Tangerang 1531 ABSTRAK OPT/MAS! DFRAKTOMETER NEUTRON SERB UK RESOLUS TNGG (HRPD) PPSM Karakteristik Difraktometer NeutronSerbukResolusi Tinggiyang telah dipasangdan dika lib ras"idippsm dilaporkan disini. Peralatan HRPD ini dipasang pada salah satu ujung tabling pemandu berkas neutron NGT-2. Komponen utama instrumen ini terdiri sistem monokromator dengan sndut hambur besot goniometer cuplikan serta tiga puluh duo 'line" kolimatoryang berkoresponsi dengan tiga puluh duo detektor. Faktor resolusi HRPD masih dibawah 5 sampai dengan sudut difraksi 12. Analisa struktur Bi3GaSb2 11merupakan salah satu studi kasus struktur kristal menggunakan HRPD guna memperlihatkan keunggulan metode difraksi neutron untuk menentukan posisi atom-atom ringan di dalam kristal. Analisa struktur yang telah dilakukan adalah dengan 'memanfaatkon program analisa Rietveld versi terbaru RlETAN'94. ABSTRACT OPT/MATON OF HGH RESOLUTON POWDER DFFRACTOMETER (HRPD) PPSM. Characten'stics of High Resolution Powder Diffractometer which has been installed and calibrated recently at PPSM are reported. This HRPD was installed at the one end of Neutron Guide Tube (NGT-2). The main components of this instruments are monochromator system with high take off angle sample goniometer as well as thirty twofine collimator which attached to thirty two detector. Resolution factor of this HRPD is below.5 at difjractionangles less than 12. TheBi3GaSb:;O// compound has been chosen as a study case to showed supen'ority of neutron diffraction method in determining position of light atoms in the unit crystal. All the structure analysis have been done by means of the new Rietveld Analysis Program RlETEN'94. PENDAHULUAN Teknik difraksi neutron sebagai komplemen dati difraksi sinar X merupakan metoda yang sangat penting dalam analisa struktur mikroskopik suatu baron. Struktur mikroskopik ini sangat penting guna memahami mekanisme dasar yang membentuk sifat-sifat makro bahan. Mengingat sifat-sifat neutron yang unik seperti mempunyai momen magnetik panjang hamburan atom yang tidak bergantung nomor atom serta mempunyai daya tembus yang tinggi di dalam bahan maka metode difraksi neutron mempunyai kelebihan tersendiri dibandingkan dengan sinar-x. Penentuan struktur rnagnetik mekanisme transisi rasa serta penentuan posisi atom-atom ringan secara akurat merupakan salah satu contoh pemakaian neutron dalam penelitian ilmu baron yang sangat sulit atau malahan tidak mungkin dilakukan dengan difraksi sinar-x. Beberapa waktu yang lalu di Pusat Penelitian SilinsMateri (ppsm) Serpong telah selesai dipasang sejumlah fasilitas spektrometri neutron. Fasilitas ini memanfaatkan empat dari enam tabling berkas neutron yang terdapat di Reaktor Serba Guna RSG GAS Serpong. Difraktometer Serbuk Resolusi Tinggi yang selanjutnya disebut HRPD (High Resolution Powder Diffractometer) merupakan salah satu dari fasilitas yang terpasang. Pactamakalah ini akan dibahas secara lengkap langkah-langkah yang ditempuh guna meningkatkan optirnasi alat tersebut baik dari segi efisiensi maupun akurasinya. Beberapa hash yang telah diperoleh dengan me!lggunakanalat ini juga akan ditampilkan sebagai contoh. TATA KERJA Komponen Utama HRPD PPSM Pactagambar secara skernatik dapat dilihat komponen utarna peralatan HRPD PPSM. Beberapa prinsip dasar yang dipegang dalam desain serta penempatan alat tersebut adalah : W. Prasl1ad dkk. SSNO

2 Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah PPNY-BATAN Yogyakarta April 1995 Buku 71 DFRAKTOMETER SERBUK. RESOLUSJTNGG (HRPD) SH>OlC>"" ~4'~"'Jic":o' Jf;L-t~t< ~~~-y.~i'~~'.'f 'C~r;;~ ~~~~-;t~~~ ~i"""~:" ~l1ti~~~ UOO'.RCO >OR ~ rif) "~ : :~l!!.!!i "l)().:/ ~~""".cp')\ '.. k( V " "*7 : 1oETtiTORuTmJ{ ~ ~ W p."yhop J<RKAS Gambar 1. Skema peralatan HRPD-PPSM 1. Sudut difraksi (take off angle) dati monokromator dipilih cukup besar dengan tujuan menghindarkan adanya berkas langsung yang sampai ke cuplikanjdetektor. 2. Penempatan dua buah kolimator dengan divergensi yang sangat kecil (fine collimator) masing-masing didepan cuplilean dad detektor akan dapat memberikan resolusi yang tinggi dari hasil pengukuran. 3. Adanya 32 sistem detektor yang terpisah satu sarna lain dalam jarak yang sarna 5 memungkink an pengukuran untuk setiap selang sudut 5 antara 28 : - 16 dalam interval waktu yang tidak begitu lama. 4. Penempatan HRPD ill pada tabling pemandu berkas neutron-2 (Neutron Guide Tube NGT-2) yang terbuat dari gelas bokron yang dilapisi oleh Ni-58 sebagai reflektor serta mempunyai kelengkungan R = 3926 meter maka gangguan efek cacah latar belakang dapat dihindari dengan baile. Secara lengkap data komponen HRPD ill dapat dilihat pactatebel 1.. TabeJ 1. Komponen utama HRPD-PPSM Tabung pemandu neutron NGT-2 pada S 5 Sudut monokromator dan 13 Panjang gelombang PEMBAHASAN Resolusi HRPD PPSM 1815 Meia cuplikan 29 m - 36 '(4) 2352 (331) Kolimator 1. al = a2 = 33 3 a3 = = 24 (PG-4) dan B = 39 (Ge-33 1) Sudut keja detektor 17 < 28s < 11 Jenis detektor 32 set He-3 HBRAM NH-15 Pacta lahar awal instalasi fasilitas HRPD- PPSM monokromator yang digunakan sebagai ssl\hj W. Prasuad dkk.

3 72 Buku Prosiding Pertemuan dan Presentasi lmiah PPNY-BATAN Yo1:.yakarta April 1995 penyeleksi panjang gelombang berkas neutron adalah kristal tunggal 'Pyrolitic Graphite " PG(4). Monokromator ini dipasang sedemikian rupa menggunakan sistem pemokus berkas (focussing) untuk meningkatkan intensitas neutron di cuplikan. Meningat kristal PG mcmiliki sistem hexagonal berpusat dasar (c-based center) maka refleksi yang dipantulkan tidak hanya berasal dari bidang (4) namun juga dapat berasal dari pantulan bidangbidang (2) dan (6) yang berkorespondensi dengan panjang gelombang 1/2 dan 2/3. Untuk mengatasi hal ini maka sebelum cuplikan telah dipasang kristal tunggal lainnya yang berfungsi sebagai filter. Sebagai konsekuensinya intensitas neutron yang sampai kecuplikan berlmrang cukup besar akibat adanya faktor absorbsi ataupun hamburan lainnya. Selain dari pacta itu efek- efek panjang gelombang parasitik ini tidak dapat dieliminasi sepenuhnya lihat gambar 2 dan 3. Sehinggajelas apabila kondisi ini tidak dapat diatasi maka kesulitan dalam analisis struktur untuk kasus-kasus yang 'real' akan sangat menyulitkan dimasa mendatang..8 6.r. ~.. ~ ;; ' Gambar 2. Pow difraksi neutron cuplikan Si serbuk 28 Terlepas dari masalah adanya panjang gelombang parasjtik ini secara keseluruhan resolusi alat masih baik. Hal ini dapat dilihat pactagambar 4 plot antara lebar setengah puncak maksimum (FWHM) terhadap sudut difraksi 28. Berdasarkan basil pengamatan terhadap cuplikan standar TiO2dan Si menunjukkan bahwa resolusi alat masih dibawah 5 untuk sudut difraksi dibawah 11. Kurva resolusi ini juga sangat sesuai dengan basil perhitungan menggunakan persamaan Caglioti( 1) : (FWHM) = U(tg8sl dengan : + V(tg8&J + W u = ((1((112(122+ (11(32 +(122(3)] (lam «(112 +a22 + 4(32)] V = (4(122(a2 + 2(32)] (tgam «(112 + ( (32)] W = ((112(122+(112(132+(122.(132+4(32 (a22+a32)j / [(a2+(122+4(32)] dimana : a.! a.2dan a.3adalah kolimator dan. Salah satu cara untuk menghindari efek panjang gelombang parasitik ini adalah mengganti monokromator dengan Ge(33l). Berdasarkan sistem kristal Germanium ini maka kemungkinan panjang gelombang lain yang ikut terdifraksi sangat ked!. Namun demikian perlu diingat bahwa kristal Germanium ini pacta umumnya sangat 'perfect" sehingga apabila kristal tersebut langsung digunakan sebagai monokromator tanpa dimodifikasi akan sangat merugikan. Walaupun panjang gelombang neutron yang diperoleh akan monokromatik namun total intensitasnya akan sangat rendah (FWHM sangat sempit). Oleh schab itu Ge(33 1)yang digunakan sebagai monokromator pactahrpd-ppsm telah dimodifikasi melalui proses pemanasan disertai penekanan. Hal ini bertujuan untuk memperoleh kristal dengan 'mosaic spread' yang memadai. Peralatan yang digullakan dalam proses' hot press' ini sepenuhnya dibuat dan dioperasikan oleh staff/teknisi PPSM. (1) sooo 6r.. ' c. :so >DO 2.% :z:!o 3.ol... ' -..-.caw...51 ~:o- 2.5f..-=r- - L 2.f..~~-. 1.5f.. "'=1" 1 LL ~.:~..;---~+. O.CL.:..=..~=--=-~ i. ' l ' & -::- '-. Gambar 3. Pow difraksi neutron cllplikan Ni serb lk. Gambar4. Kurva resoillsi HRPD-PPSM W:Prasuad-dkk. SSN

4 Prosiding Pertemuan dljnpresentasi lmiah PPNY-BATAN Yot:Yakarta April 1995 Buku 73 Pacta gambar Sa dan Sb dapat dengan jelas dibandingkan pola difraksi TiO2 yang diambil masing-masing dengan PG(4) yang berfungsi sebagai monokromator. Pacta gambar Sb puncakpuncak yang rendah tidak terlihat dalam pola difraksi yang acta. Hal ini menunjukkan bahwa panjang gelombang yang berasal datimonokromator sudah sepenuhnya monokromatik. Bcao - 6 ~ ~ i _. u '. -'- ajr..-''i.$t "..- """'_"-"1.'.....; +..1!..' ~'.' ".' >to.. o.-~ ~.-'_... '.. '.... Gambar 6. Kurva resolusi HRPD-PPSM menggunakan metoda analisa Rietveld RlETAN'94J34J ~ Gambar Sa. Pola difraksi neutron cuplikan TiO2 5 6 E ] ~oooc so 75 :ze'oo Gambar 5b. Pola difraksi neutron cuplikan TiO2 Ge(33]) Resolusi alat ditinjau dati penggantian monokromator tidak banyak berbeda. Pactagambar 6 terlihat resolusi alat terlihat masih di bawah OSo sampai sudut difraksi sekitar 12 atau dengan kala lain akurasi alat semakin baik sete1ah penggantian monokromator. Analisa Struktur Kristal Bi3GaSb211 Bahan BbGaSb2O11merupakan salah satu contohyang baik dalam pemanfaatan difraksi neutron untuk analisa struktur kristal. Pactabahan ini dapat dilihat bahwa nomoatom oksigen akan sangat kecil apabila dibandingkan dengan atom-atom lainnya. Apabi1a menggunakan difraksi sina-x maka hamburan yang berasal datiatom-atom Bi Ga atau Sb akan sangat dorninan. Sehingga akan sangat sulit untuk menentukan dengan tepat posisi ala-atom oksigen di da1am kristal. Berbeda halnya dengan difraksi sinar-x keempat jenis atom dalam bahan BbGaSb2O11interaksinya terhadap neutron memberikan efek panjang hamburan sebanding satu sarna 1ain[2].Oleh karena itu dengan menggunakan metoda difraksi neutron tidak akan dihadapi kesulitan dalam menentukan posisi atom-atom oksigen di dalam kristal tersebut dengan akurasi yang tinggi. A1'lalisa struktur kristal BbGaSb2O11yang telah dilakukan dengan menggunakan metoda analisa Rietveld RETAN'94[34]menunjukkan kesesuaian basil yang tinggi antara basil perhitungan dat observasi seperti ditunjukkan pad a gambar 7 'Refinement' akhir mencapai konvergensi dengan Rwp = 1444% Rp = 1413% dat Si = 16%. Parameter kristal beserta posisi atom secara lengkap dapat dilihat pactalabel 2. Tabel 2. Hasil analisa struktur kristal BbGaSb2J] dengan metoda Rietveld (RETAN'94) Parameter kisi(a) a b c Faktor 'R' (%) Rwp Rp s R RF Re Posisi Atom (A) n x y z Bi(l) Bi(2) 1 GaSB (1) (2) (3) SSN W. Prasuad dkk.

5 74 Bllkul Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmi.ah PPNY-BATAN Yogyakarta April 1995 KESMPULAN Berdasarkan mekanisme interaksi neutron dengan bahan maka metoda difraksi neutron mempunyai keunggulan tersendiri dibandingkan dengan metoda difraksi sinar-x dimana penentuan posisi atom-atomringan di dalam struktur kristal akan lebih mudah dilakukan dengan akurat apabila digunakan difraksi neutron. Pemilihan sistem monokromator yang tepat sangatlah renting dalam memperoleh berkas sumber monokromatik sehingga tidak menyulitkandalam analisa struktur dalamlahar lebih lanjut. Resolusi alai adalah merupakan faktor yang sangat renting dalam metoda difraksi sistem bubuk ini. Hal ini mengingat makin tinggi resolusi alai maka puncak-puncak yang berhimpitan dapat dipisahkan dengan baik yang pacta akhimya akan dapat memberikan informasi mengenai parameter kristal dengan akurasi yang tinggi. Dari hasil kalibrasi didapatkan harga resolusi peralatan mencapai sudut 12 dengan FWHM 5. Dengan demikian peralatan ini sudah siap untuk digunakan pada percobaan yang sesungguhnya. HRPD ditinjau dati segi 'hardware' maupun 'software' sangatlah kompleks. Oleh sebab itu sejak bahan instalasi sampai proses kalibrasi dad standardisasinya memakan waktu yang cukup lama. UCAP AN TERMA KASH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. Y. Harnaguchi serta Mr. N. Minakawa yang banyak membantu selama kalibrasi HRPD dilakukan juga terimakasihdiucapkankepadadr. F. zumiyang telah mengizinkan pemakaian program RETAN'94 versi terbaru sehingga memungkinkan analisa struktur kristal dapat dilakukan. Terima kasih dan penghargaan yang sebagian besarnya penulis sampaikan kepada semua staff dad teknisi PTSN-PPSM yang penuh dedikasi membantu dati sejak instalasi alai hingga proses kalibrasi dad standarisasi selesai dilaksanakan. DAFTAR PUSTAKA 1. CAGLOT G. PAOLETT A and RCC S.P. Nuc!. nstr GASON G.D. Neutron Diffraction Clarendon Press Oxford ZUM F. The Rietveld Method ed. by R.A. Young Oxford University Press Oxford Chap KTM. Y 1. and'zum F. J. Caram. Soc. lpn Equipment Specification ofhrpd Komunikasi Pribadi dengan Prof. Y.Harnaguchi. TANYAJAWAB Agus Baskoro Melihat judulnya apakah and a melakukan optimasi untuk memperoleh resolusi yang tinggi Bila ya'parameter apa saja yang berpengamh dad bagaimana cara penanganannya? Bila tidak apa yang anda maksudkan dengan optimasi? Mohon dijelaskan serta sedikit logika dati program RETAN'94? Mohon dijelaskan cara kerjajkarakteristik dati monokromator P.G4/GE 331. Prasuad - Parameter yang digunakan adalah tingginya daerah 28s yang mempunyai FWHM < 7 dan hasi/ perhitungan Refinement Rietved. - Rietan adalah proses upemiltiyan antara hasi/ perhitungan dan hasi/ observasi. PG (4) mempunyai gelombang harmonik. Tri Mardji Atmono Apakah dengan diffraksi neutron bisa ditentukan besamy.a maden magnetik suatu sampel yang bersifat magnetik. Mohon penjelasan! Suatu sampel mempunyai struktur amorph. nformasi apa saja yang bisa diperoleh dati penelitian dengan diffraktometer neutron ini? Berapakah divergensi datiberkas neutron? Pacta kesimpulan ditampilkan FWHM dati 2 monokromator yang berbeda. Apakah optimasi yang dilakukan "hanya" memperbaiki atau mengganti monokromator saja. Prasuad Dapat dari hasi/ perhitungan rietan. Parameterkisiposisi atomjarak atomfasa-fasa yang terbentuk. Divergensi ditebal darifaktor U V Wdan a a2 a3. Tidak langkah lain adalah memperbaiki soliar kollimator dan efisiensi 32 detektor. W. Prasuad dkk. SSN