ANALISIS KOMPOSISI FASA DENGAN METODE RIETVELD DAN PENGARUHNYA TERHADAP KEKERASAN NANOKOMPOSIT Ti-Si-N

Transkripsi

1 MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 7, NO., APRIL 003 ANALISIS KOMPOSISI FASA DENGAN METODE RIETVELD DAN PENGARUHNYA TERHADAP KEKERASAN NANOKOMPOSIT Ti-Si-N Keba Moto,, Lia Setiarini, dan Zufar Abubakar,. Materials Technology, Deartemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Indonesia, Deok 644, Indonesia. The Mochtar Riady Center for Nanotechnology and Bengineering, Karawaci, Banten, Indonesia Abstrak Data XRD dari nanokomosit Ti-Si-N telah dianalisis menggunakan rogram GSAS berbasis metode Rietveld untuk mengidentifikasa fasa-fasa embentuk serta komosisinya dan mencari engaruhnya terhada kekerasan material tersebut. Telah ditemukan fasa-fasa baru dalam samel tersebut, disaming fasa-fasa nanokomosit nc-tin/a-si 3 N 4 & a-/nc-tisi yang telah banyak dikenal. Dari fasa-fasa kristal yang dieroleh, setelah dilakukan erhitungan fraksi fasa amorf Si 3 N 4 dan TiSi maka dieroleh bahwa kekerasan otimal terjadi ada kandungan a-si 3 N 4 8 wt.%. Abstract Phase comositn analysis using rietveld methode and it s influence to the hardness of Ti-Si-N nanocomosites. XRD data of nanocomosites Ti-Si-N have been analysed using GSAS based on Rietveld Method in order to identify hases and their comositn as well as its influence on the hardness of these nanocomosites. Several new hases have been found in the samle beside the nc-tin/a-si 3 N 4 & a-/nc-tisi that have been known widely. From the obtained crystalline hase, after the calculatn of amorf Si 3 N 4 and TiSi hase fractn, it is found that the otimum hardness can be reached when the fractn of a-si 3 N 4 hase around 8 wt.% Keywords: Nanokomosit, Metode Rietveld, GSAS. Pendahuluan Beberaa tahun belakangan ini laisan tiis nc-tin/a- Si 3 N 4 /a&nc-tisi telah dikembangkan oleh Verek et.al. [] yang memiliki kekerasan dan ketangguhan tinggi sekaligus stabilitas termal ada suhu tinggi [-6]. Suatu solusi baru yang akan menggantikan teknologi hard coatings yang ada ada saat ini. Akan tetai, hasil ini menyisakan ertanyaan yang erlu dikaji lebih lanjut, aakah yang sebenarnya memengaruhi tingkat kekerasan (hardness) ada material tersebut. Di saming itu, terdaat suatu masalah yang dihadai gru eneliti [] tersebut yaitu kemamuan rerodusibilitas ultrahard films (HV>70 GPa) yang sangat rendah karena emahaman terhada asal-usul sifat kekerasan tinggi, ketangguhan yang tinggi belum tuntas. Hal ini sangat enting manakala material nanokomosit tersebut harus dihadakan ada roduksi skala indrustri. Jika dilihat dari metode analisis yang dilakukan oleh gru eneliti [-6], enentuan komosisi fasa kristalin yang berdasarkan metode single eak rofile fitting mengandung kelemahan, karena eak yang tumang tindih tidak daat diisahkan oleh metode ini. Atas dasar masalah tersebut, enelitian lanjutan dilakukan untuk menganalisis kembali data-data X-Ray Diffractn (XRD) yang sama dari gru eneliti terdahulu dengan haraan faktor engontrol kekerasan daat sedikit demi sedikit dimengerti dan akhirnya masalah rerodusibilitas daat diatasi. Riset yang dilakukan ini terbatas ada ermasalahan enentuan komosisi fasa serta engaruhnya terhada kekerasan nanokomosit Ti-Si-N. Penelitian ini akan memusatkan diri untuk menganalisis data hasil ercobaan terdahulu (data yang digunakan oleh eneliti terdahulu) yang berua data X-Ray Diffractn (XRD) untuk melihat hubungan kekerasan tinggi terhada komosisi fasa dengan menggunakan rogram General 0

2 MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 7, NO., APRIL 003 Structure Analysis System (GSAS) yang berbasis ada metode Rietveld [7].. Metode Metode Penelitian untuk menganalisis hasil difraksi sinar-x menggunakan rogram erangkat lunak GSAS/EXPGUI (General Structure Analysis System/Exanded GSAS User Interfasa) yang berbasis ada metode Rietveld. Data yang digunakan meruakan data sekunder [6], yang dibuat dengan metode lasma CVD (Chemical Vaour Deositn). Kelebihan metode Rietveld adalah kemamuan menganalisis data keluaran XRD dengan mencocokkan lebih dari fasa yang ada sekaligus dan mamu mengidentifakasi fasa yang saling bertumukkan yang tidak daat dilakukan menggunakan metode lainnya. Kesesuaian antara kurva teoritis dan kurva observasi akan dieroleh bila roses endekatan tersebut telah mencaai harga simangan terkecil. Proses ini dilakukan secara iterasi dengan menggunakan metode kuadrat terkecil (least square). Fungsi yang harus diminimasi adalah beda antar kurva teoritis dan kurva observasi daat diamati menggunakan ersamaan: χ = N P Y = Intensitas kurva ekserimen yang diamati ada langkah ke-i. Y ic = Intensitas kurva teoritis yang diamati ada langkah ke-i. W i = N = P = Faktor emberat S y Jumlah uncak yang dbservasi Jumlah arameter yang digunakan Perhitungan fraksi fasa ada erangkat lunak General Structure Analysis System (GSAS) berbasis metode Rietveld adalah sebagai berikut: W = N S = h S m h m ( ) S = W Y Y y i ic Y =Intensitas yang diamati ada langkah ke-i W = Fraksi berat fasa ke- S h = Skala fraksi fasa adalah refleksi dari terhada fasa ke- Y ic =Intensitas yang dihitung ada langkah ke-i W i =faktor emberat setia engamatan ( Y ) Beberaa fungsi yang menunjukkan tingkat kecocokan, diantaranya adalah R-Faktor Lebar Profile (R-weighted rofile) yang memiliki makna statistik yang aling enting untuk melihat kecocokan yang dihasilkan dari enghalusan Rietveld, karena melibatkan residual yang diminimasi (S y ). R w = ( Y ) W Y Y Kriteria numerik lainnya adalah goodness of fit (χ ) sering ditulis: ic M = Massa er unit sel ada fasa- Algoritma berdasarkan kondisi normalisasi N = W =. Komosisi keluaran GSAS hanya memerhitungkan fasa kristalin saja. Perhitungan amorf dilakukan berdasarkan ersamaan: X amorf X = kristal Persentase atomik dari fasa Si 3 N 4 telah diketahui dari XPS (X-Ray Photoemissn Sectroscoy) [6], sedangkan fasa-fasa yang ada dalam kristal beserta komosisinya didaat dari analisa kuantitatif GSAS- EXPGUI, menggunakan erhitungan kimia analitik

3 MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 7, NO., APRIL 003 Gambar. Hasil keluaran GSAS. Atas: kurva teoritis dan observasi. Bawah: kurva residu yang menunjukkan keakuratan metode least square. daat direduksi komosisi amorf dari total kandungan Ti-Si-N melalui endekatan area hasil XPS tadi. Beberaa data yang diduga memiliki defisit nitrogen tidak daat diikutkan dalam erhitungan karena rosedur yang dilakukan berawal dari asumsi seluruh reaktan bereaksi semurna. Hal ini sesuai dengan htesis sebelumnya yang menyatakan beberaa samel memiliki defisit nitrogen. Dari erhitungan amorf tersebut, daat diketahui fraksi berat seluruh fasa kristal yang ada beserta amorfnya. 3. Hasil dan Pembahasan Salah satu hasil enghalusan oleh GSAS ditunjukkan ada Gambar. Hasil keluaran GSAS menunjukkan sangat rendahnya residu atau kesalahan erhitungan untuk grafik XRD ada Gambar. Hal ini menunjukkan bahwa erhitungan GSAS dengan arameter yang dihitung berdasarkan model menunjukkan tingkat kesesuaian tinggi dengan data observasi. Hasil identifikasi yang dilakukan oleh Verek et.al. [3,4] menyatakan bahwa nanokomosit ini memiliki 3 samai 4 fasa sehingga dituliskan dengan rumus struktur nc-tin/a-si3n 4 /a-&nc-tisi. Namun dari analisis yang dilakukan menggunakan GSAS, terdaat fasa lain yang sangat signifikan sehingga sulit untuk diabaikan. Tamak ada Gambar bahwa terdaat dua kelomok besar samel dengan kandungan fasa yang berbeda. Kelomok ertama adalah samel dengan kandungan Fraksi berat nc-tin x Kandungan Si [ At% ] nc-tin x nc-tisi y Gambar. Terbentuknya fasa-fasa TiN x sebagai fungsi enambahan Si dalam samle yang menghasilkan dua kelomok besar samel berdasarkan fasa-fasa embentuknya. Si<0 at.% hanya memiliki kristal TiN serta δ-ti N dan ε-ti N. Sedangkan kelomok kedua adalah samel kandungan Si >0 at.% memiliki selain fasa-fasa yang sudah disebutkan dalam kelomok ertama, juga memiliki fasa-fasa silisida: TiSi, TiSi dan Ti 5 Si 3. Hasil analisis dengan metode GSAS ini memiliki keunggulan di mana fasa-fasa tambahan seerti δ-dan ε-ti N serta TiSi dan Ti 5 Si 3 daat diidentifikasi dengan jelas. Terjadinya fasa-fasa ini daat dijelaskan sebagai berikut: ada saat kandungan Si di atas 0 at. % Fraksi berat nc-tisi y

4 MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 7, NO., APRIL aktivitas Si begitu tinggi yang disebabkan oleh raat arus yang rendah dalam lasma [6] sehingga terjadi ergeseran reaksi kearah terbentuknya titan silisida. Pada kandungan Si di bawah 0 at. %, aktivitas Si memang menurun, tetai karena disertai oleh defisitnya nitrogen maka fasa δ- dan ε-ti N juga ikut terbentuk di saming TiN. Berdasarkan diagram fasa Ti-N, banyaknya at. % nitrogen yang terkandung dalam samel juga sangat memengaruhi fasa-fasa yang muncul. Dari semua data GSAS yang dlah memiliki ersen nitrogen < 4 at.%, sehingga hamir daat diastikan akan terbentuk fasa ε- Ti N dan δ -Ti N selain fasa TiN. Di atas 4%, fasa Ti N mulai berkurang dan konsentrasi TiN bertambah. Jadi, untuk membuat TiN murni tana adanya fasa Ti N, daat dilakukan dengan menambahkan kandungan nitrogen di atas 4 at% seerti ada Gambar 3. Pembentukan fasa-fasa Ti-N di atas daat dijelaskan dengan emberian nitrogen yang cuku akan menjamin ketersediaan suly nitrogen untuk terbentuknya fasa TiN yang stoikoimetrik sehingga untuk mengakomodasi ertambahan interstisial nitrogen, Ti harus bertranformasi dari hc (hexagonal closed acked) α-ti menjadi bcc (body centered cubic) ε-ti N, dan akhirnya fcc δ -Ti N dan fasa TiN [8]. Hasil lot data antara fasa-fasa kristalin ditunjukkan ada Gambar 4 yang menggambarkan kecenderungan engaruh fraksi berat nc-tin x terhada kekerasan lastis. Daat dilihat suatu ola yang menegaskan engaruh terbentuknya ikatan nanokristalin Ti-N terhada kekerasan lastis walauun ada kenyataannya tidak seenuhnya ikatan tersebut membentuk TiN, tetai.0 nc-tin nc-ti N Kekerasan Plastis [ GPa ] nc-tin x [ Wt% ] Gambar 4. Hubungan kekerasan terhada fraksi berat TiN x. membentuk fasa lain (ε-ti N dan δ -Ti N). Terdaat nilai otimum banyaknya fasa TiN x untuk mendaatkan kekerasan suer atau bahkan ultra, di sekitar (fraksi berat). Keberadaan beberaa data yang menyimang kemungkinan besar adalah engaruh dari keberadaan fasa TiSi y kristalin. Setelah fraksi amorf dihitung, dieroleh bahwa kekerasan maksimum terjadi aabila fraksi amorf Si 3 N 4 mencaai 8% [9]. Ini berarti, untuk mencegah terjadinya grain boundary sliding dierlukan tebal amorf yang otimal dan jika terlalu sedikit atau terlalu banyak akan menyebabkan enurunan kekerasan lastis dari nanokomosit nc-tin/a-si 3 N 4 /a-&nc-tisi [6]. Komosisi fasa secara tidak langsung mengontrol kekerasan nanokomosit ini, tetai ukuran butir dan tebal amorf Si 3 N 4 yang sangat bereran. 4. Kesimulan dan Saran Fraksi berat nc-tin Fraksi berat nc-ti N Analisis data XRD yang dilakukan menggunakan erangkat lunak GSAS, diidentifikasi adanya fasa-fasa selain TiN, TiSi yaitu ε-ti N, δ -Ti N, TiSi, dan Ti 5 Si 3. Dan bahwa tidak terdaat kaitan langsung nilai kekerasan dengan keberadaan fasa-fasa dalam nanokomosit ini. Namun banyaknya fasa amorf Si 3 N 4 memiliki suatu nilai dimana kekerasan mencaai keadaan aling tinggi (nilai otimum) aabila kandungan Si 3 N 4 sekitar 8% berat Kandungan Nitrogen [ At% ] Gambar 3. Pengaruh kandungan N terhada terbentuknya fasa-fasa TiN. Untuk menghindari fasa kristal yang tidak diinginkan, sehingga membuat mikrostruktur menjadi sangat rumit, erlu dilakukan deosisi ada inut gas N dari SiH 4 sedemikian sehingga kandungan N>4 at. % dan Si<0 at.% untuk membentuk nanokomosit bifasa (nc-tin/a- Si 3 N 4 ).

5 4 MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 7, NO., APRIL 003 Ucaan Terima Kasih Riset ini dibiayai oleh Dana Menristek RI melalui royek Riset Unggulan Teradu (RUT) tahun 003. Daftar Acuan [] B. North, Surf. Coat. Technol. 06 (998) 9. [] T. Cselle, A. Barimani, Surf. Coat. Technol (995) 7. [3] S. Verek, P. Nesladek, A. Niederhofer, H-D Mannling, K. Moto, M. Jilek, TMS Annual Meeting, San Diego, USA, 999. [4] S. Verek, A. Niederhofer, K. Moto, P. Nesladek, P. Holubar, In: A. Wong (Ed.), Proceeding of Asian Industrial Technology Congress, Hongkong, 999. [5] A. Niederhofer, K. Moto, P. Nesladek, S. Verek, Proceeding of 4 th Internatnal Symosium on Plasma Chemistry, Prague, Czech, 999. [6] K. Moto, PhD Thesis, Technical University Munich, Germany, 00. [7] R.A Young (Ed.), The Rietveld Method, Oxford University Press, 99. [8] P.R. LeClair, Thesis, Massachusetts Institute of Technology, USA, 995. [9] Lia Setiarini, Skrisi Sarjana, Deartemen Fisika FMIPA, Universitas Indonesia, Indonesia, 003.