## ANALISIS FASA MINOR DENGAN TEKNIK DIFRAKSI NEUTRON

## Engkir Sukirman,  Herry Mugirahardjo
Pusat Sains dan Teknologi Bahan Maju - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang Selatan, 15314
e-mail: engkirs@gmail.com
(Naskah diterima : 21-08-2014, Naskah disetujui: 23-09-2014)

## ABSTRAK
ANALISIS  FASA MINOR DENGAN  TEKNIK  DIFRAKSI  NEUTRON. Keberadaan  fasa  minor dalam  suatu  cuplikan  telah  dianalisis  dengan  teknik  difraksi  neutron.  Dalam  penelitian  ini  dipilih cuplikan partikel nano Fe (PNF) sebagai objek studi kasus. Langkah pertama adalah menyiapkan cuplikan  PNF dengan  teknik ball  milling .  Cuplikan  hasil milling selanjutnya  disebut  FIC2. Keberadaan  fasa-fasa  yang  terbentuk  di  dalam  cuplikan  FIC2  dianalisis  secara  kualitatif  dan kuantitatif dengan teknik difraksi neutron resolusi tinggi (HRPD) dan difraksi sinar-X (XRD). Data difraksi  dianalisis  dengan  metode  Rietveld  memanfaatkan  program  FullProf  dan  dilakukan dengan mengacu pada data dukung, yakni ukuran partikel dan sifat magnetik bahan. Kedua jenis data  dukung  tersebut  diperoleh  berturut-turut  dengan  PSA  ( Particles  Size  Analyzer )  dan  VSM ( Vibrating  Samples  Magnetometer ).    Hasil  analisis  menunjukkan  bahwa  kualitas fitting pola difraksi  neutron  lebih  baik  dari  kualitas fitting pola  difraksi  sinar-X.  Dari  data  difraksi  neutron diperoleh bahwa FIC2 terdiri dari fasa Fe,  Fe 2 O 3 , dan Fe 3 O 4 berturut-turut sebanyak 78,62; 21,37 dan      0,01%.  Dari  data  difraksi  sinar-X  didapat  bahwa  FIC2  terdiri  dari  fasa  Fe  dan  Fe 2 O 3 berturut-turut  sebanyak  99,96  dan  0,04%;  sedangkan  keberadaan  fasa  Fe 3 O 4 tidak  teramati. Dengan teknik difraksi neutron, keberadaan fasa minor dapat ditentukan secara akurat.
Kata kunci : difraksi neutron, difraksi sinar-X, fasa minor.

## ABSTRACT
ANALYSIS OF MINOR PHASE WITH NEUTRON DIFFRACTION TECHNIQUE. The presence of minor  phases  in  a  sample  have  been  analyzed  with  the  neutron  diffraction  technique.  In  this research,  the  sample  of  Fe  nanoparticles  (FNP)  has  been  selected  as  the  object  of case  study. The  first  step  was  to  prepare  the  FNP  sample  with  the  ball  milling  technique.  Hereinafter,  the sample  of  milling  result  was  referred  FIC2.  T he  presence  of  phases formed  in  FIC2  were analyzed qualitatively and quantitatively using the high resolution neutron diffraction (HRPD ) and X-Ray Diffraction (XRD) techniques. The diffraction data were analyzed by means of the Rietveld method  utilizing  a  computer  code,  namely  FullProf  and  performed  by  referring  to  the  supporting data, namely particle size and magnetic properties of materials. The two kinds of supporting data were  obtained  from  the  PSA  (Particles  Size  Analyzer)  and  VSM  (Vibrating  Samples Magnetometer), respectivelly. The analysis result shows that quality of fitting for neutron diffraction pattern  is  better  than  the  fitting  quality  for  x-ray  diffraction  pattern.  Of  the  HRPD  data  were revealed  that  FIC2  consists  of  Fe,  Fe 2 O 3 and  Fe 3 O 4 phases  as  much  as  78.62;  21.37  and 0.01%, respectively. Of the XRD data were obtained that FIC2 consits of Fe and  Fe 2 O 3 phases with  amount  of  99.96  and  0.04%,  respectively;  the  presence  of  Fe 3 O 4 phase  was  not  observed. With  the  neutron  diffraction  technique,  the  presence  of  minor  phase  can  be  determined accurately.
Keywords : neutron diffraction, X-ray diffraction, minor phase.
(Engkir Sukirman dan Herry Mugirahardjo)

## PENDAHULUAN
Pada  umumnya  dalam  penelitian dan pengembangan (litbang) bahan, baik itu bahan  struktur  reaktor  nuklir,  bahan  bakar nuklir  atau  bahan-bahan  industri  yang  lain, kegiatan  dimulai  dengan  sintesis  bahan. Sebelum  dilakukan  karakterisasi  sifat-sifat bahan,  yang  meliputi  sifat  mekanik,  listrik, magnet,  fisika,  kimia,  dan  lain-lain,  hasil sintesis  harus  diidentifikasi  (dikonfirmasi) dahulu apakah bahan (cuplikan) yang dibuat sudah  membentuk  senyawa  atau  fasa bahan  yang  diinginkan.  Oleh  karena  itu, identifikasi  fasa  bahan  pada  bahan  hasil litbang  merupakan  suatu  tahapan  litbang yang  pertama  dan  utama  yang  tidak  bisa dilewatkan.  Metode  yang  sangat  tepat, cepat, mudah dan murah untuk maksud dan tujuan  tersebut  adalah  dengan  meman- faatkan teknik difraksi, baik itu difraksi sinar- X maupun difraksi neutron.
Pada  sintesis  baja  carbon,  jika cuplikan  itu  dianalisis  dengan  metoda analisis  kimia,  maka  hanya  akan  diperoleh informasi  tentang  unsur-unsur  dan  jumlah kandungan  Fe,  C,  Mn,  dan  seterusnya  di dalam cuplikan tersebut. Analisis kimia tidak dapat  memberikan  informasi  tentang  fasa- fasa  baja  carbon  di  dalam  cuplikan,  apakah baja  carbon  itu  seluruhnya  martensit  atau terdiri  dari  fasa  martensit  dan  austenit  atau tersususun  dari  fasa  ferrite  dan  cementit. Dengan  metoda  difraksi,  keberadaan  fasa- fasa tersebut dapat diketahui.
Metoda  difraksi  dipakai  secara  luas untuk menganalisis  bahan-bahan seperti biji besi, tanah lempung,  logam, logam paduan, refractories , corrosion product , wear product ,  debu  industri  dan  seterusnya. Dibandingkan dengan analisis kimia, metode difraksi  memiliki  beberapa  keuntungan, yakni`,  lebih  cepat  membutuhkan  cuplikan yang  sangat  kecil  (sedikit),  dan  tidak merusak.
Selain  digunakan  untuk  analisis kualitatif,  teknik  difraksi  juga  dimanfaatkan untuk analsis kuantitatif fasa bahan di dalam bahan  kristalin;  disamping  itu  pula  teknik
difraksi  dapat  digunakan  untuk  menentukan ukuran kristalit, regangan dan tegangan sisa pada  bahan  industri,  bahan  struktur  reaktor nuklir dan bahan bakar nuklir.
Selama  ini  litbang  bahan  struktur reaktor  nuklir  dan  bahan  bakar  nuklir  di Indonesia  pada  umumnya  memanfaatkan data difraksi sinar-X sebagai data pendukung.  Husna  Al  Hasa  dan  kawan- kawan [1] , melakukan sintesis paduan AlFeNi sebagai  bahan  struktur cladding elemen bakar  nuklir.  Karakterisasi  fasa-fasa  yang terbentuk  dilakukan  dengan  teknik  difraksi sinar-X,  terungkap  adanya  fasa  FeAl  (fasa  ).  Kadarjono  dan  Supardjo [2] membuat logam  U  dari  campuran  UF 4 dan  Ca.  Hasil analisis  dengan  teknik  difraksi  sinar-X menunjukkan  bahwa  uranium  didominasi oleh  96,42  %  berat  -U  yang  tercampur dengan  3,58  %  berat  UO 2 .  Juga  pada penelitian  terdahulu [3] dilakukan  proses konversi  uranium  dari yellow  cake yang berasal  dari  limbah  pupuk  fosfat.  Analisis kualitatif  dan  kuantitatif  dilalukan  dengan metode  Rietveld  menggunakan  perangkat lunak  GSAS  ( General  Structure  Analysis System )  berdasarkan  data  difraksi  sinar-X. Hasil  analisis  menunjukkan  bahwa  cuplikan terdiri  dari  95%  berat  UO 2 dan  5  %  berat U 3 O 8 dan UO 3 .
Dalam  litbang  bahan,  selain  data difraksi  sinar-X,  dapat  juga  digunakan  data difraksi neutron sebagai data dukung. Hal ini akan  menguntungkan,  mengingat  interaksi neutron  dengan  bahan  berbeda  dengan berkas sinar-X atau elektron.
Sinar-X  berinteraksi  dengan  distri- busi  elektron  di  dalam  bahan  kristalin,  oleh karena  itu  sinar-X  selain  tidak  mudah menentukan lokasi unsur-unsur yang memiliki  jumlah  elektron  sedikit  (yakni, unsur-unsur  ringan),  juga  tidak  dapat membedakan  unsur-unsur  yang  memiliki jumlah  ektron  yang  hampir  sama  (yakni, unsur-unsur yang berdekatan di dalam tabel periodik).  Karena  ukuran  atom  sepadan dengan  panjang  gelombang  sinar-X,  maka interaksi  sinar-X  dengan  bahan  bergantung
pada  faktor  bentuk.  Amplitudo  hamburan sinar-x meningkat secara monoton terhadap nomor  atom.  Intensitas  hamburan  sinar-X menyusut  cepat  dengan  bertambahnya sudut  hamburan,  sedangkan  intensitas hamburan  neutron  tetap  tinggi  pada  sudut hamburan yang besar. Penyusutan intensitas difraksi sinar-X, selain diakibatkan oleh  vibrasi  termal,  juga  faktor  bentuk, sedangkan penyusutan intensitas hamburan neutron hanya akibat vibrasi termal.
Neutron  berinteraksi  dengan  inti atom. Karena ukuran inti-inti atom jauh lebih kecil  dibandingkan  panjang  gelombang neutron,  penampang  lintang  hamburan koheren  neutron  oleh  sebuah  inti  tidak bergantung sudut. Hamburan neutron ditentukan  oleh  panjang  hamburan  yang besarnya berubah-ubah secara tidak beraturan  terhadap  nomor  atom,  bahkan panjang  hamburan  dari  unsur  yang  sama akan  berbeda  jika  isotopnya  berbeda. Sehingga  dengan  substitusi  isotop,  daya hamburan neutron dapat dimanipulasi.
Panjang hamburan neutron adalah sedemikian  sehingga  unsur  ringan  dapat ditentukan,  demikian  pula  unsur-unsur  yang berdekatan  di  dalam  tabel  periodik  dapat dibedakan.
Panjang  gelombang  neutron  termal (   0,1  nm)  sebanding  dengan  jarak  antar atom  dalam  zat  padat,  sehingga  efek interferensi  dari  radiasi  yang  dihamburkan sangat  kuat.  Dengan  demikian  keteraturan atom-atom  dalam  padatan  kristalin  dapat ditentukan  secara  lebih  akurat.  Berkas neutron dapat mengungkap informasi structural dari  setiap  fasa  yang  mana informasi  ini  sangat  berharga  untuk  meneliti bahan-bahan  yang  mengandung  banyak fasa.
Neutron  memiliki  momen  magnetik, μ n = -1,913 nuclear magneton, dan spin S  = 1/2.  Neutron  berinteraksi  dengan  elektron melalui momen magnetiknya. Oleh karenanya,  neutron  dapat  menjadi probe yang  ideal  bagi  penelitian  bahan-bahan magnetik,  antara  lain  menentukan  struktur
kristal  magnetik  dan  dinamika  sistem  atom magnetik.  Neutron  termal  memiliki  energi,  E  70  meV,  setara  dengan  energi  eksitasi (vibrasi,  rotasi  dan  gerak  difusi)  di  dalam bahan,  sehingga  dapat  dimanfaatkan  untuk mempelajari  vibrasi-vibrasi  skala  atom. Dengan  demikian, probe neutron  dapat memberikan  informasi  yang  komplementer dengan  teknik  hamburan  sinar-X  dan elektron [4,5] .
Tujuan penelitian
ini adalah melakukan  analisis  keberadaan  fasa-fasa minor  dalam  suatu  cuplikan  dengan  teknik difraksi  neutron.  Dalam  penelitian  ini  dipilih cuplikan  partikel  nano  Fe  (PNF)  sebagai objek  studi  kasus.  Hal  ini  karena  pada cuplikan  PNF  terdapat  atom-atom  ringan,  O (nomor  atom,  Z=16)  ditengah-tengah  atom berat, Fe (nomor atom, Z=56).

## TATA KERJA
Partikel  nano  Fe  (PNF)  disintesis dengan  metode milling dua  langkah [6] dari bahan  baku  serbuk  Fe  (produk  Merck) dengan  kemurnian  99,5  %  dan  ukuran partikel  10 μm.  Cuplikan  hasil  sintesis selanjutnya disebut FIC2.
Karakterisasi fasa di dalam cuplikan FIC2  ditentukan  dengan  HRPD  ( High Resolution Powder Diffractometer ) di PSTBM  (Pusat  Sains  dan  Teknologi  Bahan Maju), BATAN dan XRD ( X-ray Diffractometer )  PANalitical  Xpert-Pro  di PSTNT  (Pusat  Sains  dan  Teknologi  Nuklir Terapan),  BATAN . Pengukuran  pola  difraksi neutron  dilakukan  pada  panjang  gelombang konstan,  =  1,8223  Å  yang  dihasilkan  oleh monokromator hot-pressed
Ge(331) [ 7 ] . Pengukuran  dilakukan  pada  rentang  sudut, 2  =  2,5  -157,5  ;  lebar  langkah,  (2  )  = 0,05  dan  pengukuran  berlangsung  selama lebih  kurang  24  jam  untuk  mendapatkan satu pola  difraksi penuh.  Sedangkan pengukuran  pola  difraksi  sinar-x  dilakukan dalam  daerah  sudut,  2  =  10  -  80  ,  target Cu,  panjang  gelombang  konstan,  = 1,5406  Å;  lebar  langkah,  (2  )  =  0,02  dan
preset  time :  0.05  detik.  Kedua  jenis pengukuran  tersebut  dilakukan  pada  suhu ruang.
Data  difraksi  neutron  dan  sinar-x, masing-masing  dianalisis  dengan  metode Rietveld  menggunakan  perangkat  lunak FullProf [ 8 ] . Ukuran partikel dan distribusinya ditentukan  dengan  PSA  ( Particle  Size Analyzer ) . Sedangkan  sifat  magnetik  bahan dikarakterisasi dengan VSM ( Vibrating
Sample  Magnetometer )  Oxford  Type  1.2  H
di PSTBM-BATAN. Pengukuran sifat magnetik  bahan  dilakukan  pada  suhu  ruang dalam  medan  magnet  dari  0  Tesla  hingga mencapai nilai maksimum 1 Tesla.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Ukuran  partikel  nano Fe  dan distribusinya  di  dalam  cuplikan  FIC2  hasil pengamatan  dengan  PSA  ditunjukkan  pada Gambar  1;  dari  gambar  tersebut  didapat data ukuran partikel rata-rata, D = 106 nm.
Gambar  1.  Ukuran  partikel  dan  distribusi ukuran  partikel  nano  Fe  pada  cuplikan FIC2;  ukuran  partikel  rata-rata D =  106 nm.
Kurva magnetisasi dari FIC2 ditunjukkan pada Gambar 2.
Kurva magnetisasai  tersebut  menunjukkan  suatu pola  khas  dari  bahan  superparamagnetik yang  merupakan  karakteristik  dari  partikel nano  magnetik.  Jadi  bahan  masih  bisa dikatagorikan sebagai partikel nano magnetik  besi,  walaupun  partikel  tersebut berukuran sedikit lebih besar 100 nm.
Pada  Gambar  2  ditunjukkan  bahwa harga  magnetisasi,  M s =  81,4  emu/g,  lebih rendah  dari  harga  magnetisasi  fasa bulk Fe pada  suhu  ruang,  yakni  M s =  218  emu/g [ 9 ] .
Ini  berarti  bahwa  pada  FIC2  terdapat  fasa- fasa lain (selain Fe) yang nilai
magnetisasinya  lebih  kecil  dari  harga magnetisasi Fe.
Gambar 2. Kurva magnetisasai partikel nano Fe pada cuplikan FIC2, diukur pada suhu ruang; harga magnetisasi saturasi, M s = 81,4 emu/g.
Fasa-fasa  yang  paling  mungkin terbentuk  di  dalam  FIC2,  selain  Fe,  adalah  Fe 2 O 3 ,  dan  Fe 3 O 4 .  Untuk  mengkonfirmasi dugaan tersebut, maka dilakukan pengukuran pola difraksi neutron dan sinar-x dan data hasil pengukuran dianalisis dengan metode  Rietveld,  dengan  memanfaatkan program FullProf [8] . Program ini memerlukan  dua file masukan,  yakni  (1) data  parameter  struktur  kristal  dan  alat (*.pcr),  dan  (2)  data  intensitas  (*.dat). Parameter  struktur  kristal  fasa  Fe,  Fe 2 O 3 , dan  Fe 3 O 4 berturut-turut  ditunjukkan  pada Tabel 1, 2 dan 3.
Tabel 1. Fraksi koordinat atom ( g j , x j , y j , z j ) fasa Fe, grup ruang: Im3m, No. 229, parameter kisi: a = b = c =2,88788 Å,  =  =  = 90 0 [9] . Atom g j x j y j z j Fe 3+ (1) 0,5 0,0 0,0 0,0 Fe 3+ (2) 0,5 0,5 0,5 0,5 Tabel 2. Fraksi koordinat atom ( g j , x j , y j , z j ) fasa  -Fe 2 O 3 , grup ruang: P41 3 2, No. 213, parameter kisi: : a = b = c = 8,4372 Å,  =  =  = 90 0 [9] .
Atom g j x j y j z j Fe 3+ (1) 1,0 0,9975 0,9975  0,9975