Studi Struktur dan Hamburan Baur Untuk Analisa Order-disorder Dalam Kristal Superionik

Pendahuluan

  • Bahan Superionik

Bahan superionik adalah padatan ionik yang mempunyai konduktivitas ionik tinggi pada temperatur jauh di bawah temperatur lelehnya. Bahan padatan ionik pada umumnya akan mempunyai konduktivitas listrik yang tinggi pada temperatur tinggi sekitar temperatur lelehnya, namun untuk bahan superionik konduktivitas yang tinggi ini dicapai pada temperatur yang relatif rendah. Karena keunggulannya ini, bahan superionik diaplikasikan secara luas dalam teknologi misalnya sebagai sensor, sumber energi, elektroda pada batere isi ulang dan lain sebagainya. Beberapa contoh di antaranya adalah konduktor ion lithium yang dikembangkan sebagai material untuk batere padat (solid state battery), konduktor ion oksida sebagai sensor oksigen pada temperatur tinggi, dan konduktor proton sebagai sel bahan bakar (fuel cell).

  • Sifat-sifat Listrik Bahan Superionik

Sifat yang sangat penting dari bahan superionik adalah konduktivitas ioniknya yang tinggi. Penghantaran listrik oleh ion ini membuat bahan superionik dikenal juga sebagai elektrolit padat dan mempunyai kegunaan yang mirip dengan elektrolit cair biasa. Para peneliti telah mencoba menjelaskan penyebab tingginya konduktivitas ionik pada bahan padatan ini, namun hingga sekarang belum ada teori yang menyeluruh yang dapat menjelaskannya. Salah satu teori yang menerangkan tingginya konduktivitas ionik ini (konduktivitas ionik yang tinggi berarti ion dalam kristal sangat mudah bergerak) adalah adanya cacat atau ketakteraturan atom (disorder arrangement of atom) dalam kristal.

  • Studi Struktur dan Hamburan Baur

Studi struktur bahan padatan superionik menjadi sangat penting untuk dilakukan karena sifat-sifat fisis bahan superionik sangat erat kaitannya dengan struktur kristal bahan padatan tersebut. Penggunaan metode analisa hamburan baur (diffuse scattering analysis) pola difraksi suatu bahan padatan sangat berguna untuk memahami susunan ketakteraturan atom dalam kristal. Ada dua informasi penting yang dapat diperoleh dari studi hamburan baur yaitu ketakteraturan statik (static disorder) dan ketakteraturan termal (thermal disorder).

Penelitian Yang Telah Dilakukan

Berkaitan dengan pentingnya studi mengenai struktur bahan padatan superionik, telah dilakukan penelitian mengenai struktur dan hamburan baur beberapa bahan padatan superionik dan juga padatan ionik lainnya yang tidak menunjukkan sifat sebagai bahan superionik. Teknik hamburan sinar-X dan neutron merupakan metode yang digunakan secara luas untuk analisa struktur bahan padatan superionik. Hasil eksperimen hamburan neutron ataupun sinar-X menunjukkan adanya garis-garis Bragg yang tajam dan pola hamburan baur yang khusus. Pendekatan teoritik untuk menjelaskan pola hamburan baur dari bahan padatan superionik a-AgI dan bahan lain yang mempunyai struktur identik telah dilakukan dengan memasukkan faktor ketakteraturan statik dan efek korelasi getaran termal. Telah diamati pula adanya pola osilasi hamburan baur pada bahan padatan yang mempunyai susunan atom yang teratur akibat adanya efek korelasi getaran termal atom tersebut.

Intensitas hamburan baur (diffuse scattering) yang diamati dari eksperimen hamburan neutron ataupun sinar-X secara teoritik dimodelkan dalam bentuk ungkapan matematika sebagai berikut:

idiffuse

dengan k adalah suatu fungsi yang bergantung pada kondisi eksperimen, No adalah jumlah sel satuan persatuan volume, n adalah jumlah atom persel satuan, f adalah faktor hamburan, exp(-M) menyatakan faktor Debye-Waller, a dan b adalah parameter keteraturan pendek (short range order parameter) sedangkan p menyatakan kebolehjadian menemukan suatu atom dalam suatu posisi tertentu. i dan j mengacu pada posisi yang ditempati oleh atom (site). Z adalah bilangan koordinasi dan korelasi antara pergeseran akibat getaran termal atom dinyatakan dengan l. Fungsi S sama dengan sin(Qr)/(Qr) dengan Q dan r masing-masing adalah vektor hamburan dan jarak antar posisi yang ditempati atom dalam kristal.

Faktor penting yang mempengaruhi pola hamburan baur bahan padatan superionik adalah a dan b yang mengandung informasi tentang ketakteraturan statik (static disorder) serta l yang berkaitan dengan ketakteraturan termal (thermal disorder).

  • Ketakteraturan statik

Telah dilakukan analisa pola hamburan baur dari bahan padatan superionik yang mempunyai ketakteraturan statik. Bahan yang diteliti adalah a-CuAgSe. Hasil eksperimen hamburan sinar-X yang dilakukan pada temperatur tinggi (520 K) menunjukkan adanya pola hamburan baur yang khas yang ditandai dengan adanya puncak yang lebar dan kuat untuk sudut hamburan 2q ~ 35o. Puncak yang lebar ini diikuti dengan puncak kedua yang relatif lebih lemah pada sudut hamburan 2q ~ 75o. Kedua puncak ini membentuk pola khas dari hamburan baur bahan padatan superionik a-CuAgSe.

Struktur kristal a-CuAgSe dianalisa dari pola garis-garis Bragg-nya. Garis-garis Bragg ini dapat dijelaskan dengan model struktur kristal dengan ketakteraturan pada susunan kation (ion positif yaitu Cu dan Ag). Pola hamburan baur yang khas dianalisa menggunakan model yang diuraikan di atas, yaitu dengan memasukkan faktor ketakteraturan statik dan efek korelasi getaran termal atom-atom dalam kristal a-CuAgSe. Dengan menggunakan persamaan matematis intensitas hamburan baur tersebut di atas, dapat dijelaskan penyebab munculnya pola khas pada hamburan baur a-CuAgSe. Ada dua faktor yang mempengaruhi pola tersebut yaitu: ketakteraturan statik kation (Cu dan Ag) serta efek korelasi antar getaran termal atom-atom dalam kristal a-CuAgSe. Pengaruh adanya ketakteraturan statik sangat jelas pada puncak lebar pola hamburan baur pada sudut hamburan 2q ~ 35o. Hasil ini menguatkan hasil sebelumnya yang pernah disimpulkan dari eksperimen menggunakan bahan padatan superionik a-AgI bahwa ketakteraturan statik menyebabkan munculnya puncak yang lebar pada pola hamburan baur untuk sudut hamburan yang relatif rendah.

  • Ketakteraturan termal dan efek korelasi

Efek lain yang juga muncul pada pola hamburan baur bahan padatan superionik adalah adanya puncak yang berulang (osilasi). Pola osilasi ini bahkan muncul pada bahan padatan yang susunan atomnya teratur dan akan semakin jelas teramati untuk pola hamburan baur pada temperatur yang lebih tinggi. Pola osilasi ini diamati tidak hanya pada bahan padatan superionik tapi juga pada padatan semikonduktor.

Eksperimen untuk meneliti lebih lanjut pengaruh korelasi getaran termal atom terhadap pola hamburan baur dilakukan pada berbagai bahan padatan misalnya NaCl, CuI, CuCl, CuBr, PbF2, Ge, AgCl, ZnSe dan lain-lain. Hasilnya menunjukkan bahwa pola osilasi pada hamburan baur bahan padatan dengan susunan atom yang teratur dipengaruhi oleh efek korelasi antar getaran termal atom-atom dalam kristal. Korelasi antar getaran termal yang dianalisa tidak hanya antara atom-atom yang berdekatan (tetangga terdekat) melainkan juga untuk jarak antar atom yang lebih besar dari jarak tetangga terdekat.

Dari berbagai penelitian yang dilakukan, diperoleh kesimpulan bahwa posisi puncak-puncak pada pola osilasi hamburan baur tersebut berkaitan dengan jarak antar atom dalam kristal. Kesesuaian pola osilasi yang diamati dengan yang dimodelkan akan lebih baik jika korelasi antar atom hingga tetangga terdekat kedua atau ketiga juga diperhitungkan. Jika efek korelasi tidak diperhitungkan dalam analisa pola hamburan baur, maka pola osilasi tidak akan dihasilkan. Ini menunjukkan pentingnya memasukkan parameter efek korelasi dalam analisa pola hamburan baur bahan padatan yang pada persamaan matematis di atas dinyatakan dengan l. Telah dianalisa juga pengaruh jarak antar atom terhadap nilai parameter korelasi antar getaran termal atom dalam kristal. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa efek korelasi sangat kuat untuk atom-atom yang berdekatan dan efek korelasi ini berkurang secara drastis sejalan dengan bertambahnya jarak antar atom. Nilai efek korelasi yang diperoleh juga sangat bergantung pada temperatur. Pada temperatur sekitar temperatur ruang, efek korelasi antar tetangga terdekat berkisar 0,6 ~ 0,8 yang menunjukkan korelasi yang sangat kuat. Diperkirakan nilai efek korelasi ini juga bergantung pada jenis ikatan antar atom dalam kristal.

  • Penggunaan teori hamburan baur untuk profil latar belakang pada eksperimen hamburan

Metode analisa Rietveld (Rietveld Analysis) merupakan salah satu cara dasar dalam mengkarakterisasi bahan polikristalin melalui eksperimen hamburan sinar-X maupun hamburan neutron. Bentuk fungsi profil intensitas Bragg dalam metode Rietveld telah secara luas diperbaiki untuk memperoleh kecocokan yang lebih baik antara hasil eksperimen dengan hasil simulasi (model). Profil latar belakang (background profile) hasil hamburan dalam metode Rietveld diperoleh dengan hampiran suatu deret matematika yaitu deret Legendre. Tidak ada makna fisis dari penggunaan ungkapan matematis ini.

Dapat dijelaskannya profil hamburan baur menggunakan teori hamburan baur yang disebutkan di atas membuka kemungkinan memberikan interpretasi fisis terhadap bentuk profil intensitas latar belakang yang diperoleh dalam eksperimen hamburan neutron maupun sinar-X. Penggunaan teori hamburan baur dengan memasukkan efek korelasi getaran termal atom sebagai profil intensitas latar belakang dari data yang diperoleh dalam eksperimen hamburan neutron telah dilakukan pada bahan padatan ZnSe. Eksperimen hamburan neutron dilakukan menggunakan fasilitas High Resolution Powder Diffractometer (HRPD) yang terdapat di komplek JAEA (Japan Atomic Energy Agency) di Jepang. Hasilnya menunjukkan bahwa penggunaan teori hamburan baur dengan menyertakan efek korelasi antar getaran termal atom dapat memberikan kecocokan yang lebih baik pada profil intensitas latar belakang dalam analisa Rietveld di samping hasil utamanya yaitu memberikan interpretasi fisis dari pola osilasi pada intensitas latar belakang tersebut.

This entry was posted in Opinion. Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

To use reCAPTCHA you must get an API key from https://www.google.com/recaptcha/admin/create