XRD (rotating anode) vs. neuton diffraction

Berikut ini adalah intermezo ditengah diskusi mengenai penerapan teori grup untuk struktur magnetik

Secuplik perbandingan antara XRD (rotating anode) yang biasa ada di universitas vs neutron diffraction dalam ranah eksperimen non magnetik dapat dilihat pada Gambar. Eksperimen dilakukan pada 2 sample berbeda. Mula-mula dilakukan pengukuran XRD pada kedua sample tersebut dengan sebagian hasil tertera pada gambar di sebelah kiri. Lalu dilakukan pengukuran difraksi neutron pada kedua sample tersebut dengan sebagian hasil tertera pada gambar di sebelah kanan. Semua pengukuran dilakukan pada suhu ruang. Garis terputus bersesuaian dengan salah satu sample sedangkan garis tak terputus merupakan kontribusi dari sample lainnya. Terlihat bahwa kontrast pada difraktogram XRD tidak jauh berbeda dibandingkan dengan difraktogram neutron. Seandainya hasil XRD di refine mandiri, hasil struktur kristal antara kedua sample pasti tidak jauh berbeda (kecuali tentu parameter kisinya). Rincian pembahasan dapat dilihat di
Journal of Applied Crystallography, 2010, Volume 43, pages 394-400

Mengapa berkas neutron bisa mendeteksi sifat magnetik bahan ?

Bahan tersusun dari atom-atom penyusunnya. Atom-atom tersebut masing mempunyai inti atom (nuklir) yang terdiri dari proton dan neutron. Omong-omong, disinilah (nuklir maksudnya) BATAN harusnya berkiprah, karena namanya kan Badan Tenaga Nuklir Nasional (lingkupnya sempit sekali, hanya nuklir ... elektron bukan bagian dari nuklir ... ) .... ok lah, nama yang sempit tapi kenyataan yang terlalu luas (misalnya banyak mengerjakan yang tidak terkait dengan inti atom) bukan urusan level bawah macam aku.

Kembali ke neutron yang merupakan bagian dari nuklir...... Sekarang pertanyaanya adalah mengapa berkas neutron bisa mendeteksi sifat magnetik bahan ? Bagi yang menyukai tantangan, silahkan dijawab..... Boleh mencari jawaban melalui internet, artikel, buku atau apapun termasuk bacaan ringan yang bisa di download gratis di http://apurwanto.110mb.com/notes/disserto.pdf

Catatan: UCuSn yang dibahas di http://apurwanto.110mb.com/notes/bukuDifraksi.pdf dibahas lebih detail di http://apurwanto.110mb.com/notes/disserto.pdf

Sedikit catatan mengenai difraksi

Dalam dunia ilmiah, cukup banyak keadaan dimana suatu teknik yang tepat berperan sangat penting untuk mengambil informasi dari suatu eksperimen. Analogi sederhananya adalah pentingnya kunci L yang tepat untuk membuka sekrup berlubang segi-enam. Teknik difraksi untuk penentuan struktur kristal sesuai dengan analogi tersebut. Cukup banyak universitas besar dan lembaga penelitian di negeri ini yang mempunyai peralatan difraktometer sinar-X. Bahkan kita juga mempunyai difraktometer neutron dengan sumber reaktor nuklir untuk penelitian yang terbesar di Asia Tenggara. Kita dengan mudah dapat mengambil data dan menampilkan pola difraksi pada berbagai jurnal ilmiah nasional. Beberapa universitas mempunyai jurusan yang terkait dengan ilmu bahan yang membutuhkan pemahaman mengenai bahan kristal. Namun, tidak banyak yang menguasai dengan baik analisis data difraksi. Beberapa peneliti menganggap difraktometer sebagai alat ukur yang dioperasikan seperti tombol on-off lalu keluar hasil analisisnya. Sepengetahuan penulis, bahkan belum ada buku yang secara khusus ditulis oleh penulis Indonesia yang membahas teknik difraksi untuk penentuan struktur kristal.

Pemahaman penulis mengenai teknik difraksi baik dari berkas sinar-X maupun neutron untuk penentuan struktur kristal dapat didownload gratis di
http://apurwanto.110mb.com/notes/bukuDifraksi.pdf
Beberapa bab awal menekankan simetri sebagai alat untuk menggambarkan posisi atom. Setelah memahami simetri yang ada pada kristal, pembaca dapat dengan mudah melanjutkan ke beberapa bab akhir yang khusus membahas mengenai difraksi. Buku ini terutama ditujukan untuk para mahasiswa S1, S2 dan S3 dari fisika, kimia, dan metalurgi maupun ilmuwan muda yang baru memulai langkahnya di dunia difraksi. Berbagai soal latihan terkait, diberikan pada buku ini untuk memberi pembaca kesempatan memeriksa pemahaman terhadap materi yang disajikan. Materi ini pernah diajarkan pada mahasiswa S2 dari Materials Science Universitas Indonesia. Prasyarat pemahaman materi adalah matematika dan fisika tingkat SMA. Walaupun penulis sudah berkecimpung dalam bidang ini lebih dari 20 tahun, namun penulis mengakui bahwa penulis masih harus terus belajar, banyak menerima saran dan kritik. Penulis berharap buku ini berguna sehingga pembaca dapat menganalisis data difraksi untuk menentukan struktur kristal.

Sekali lagi, silahkan download file gratis tersebut di
http://apurwanto.110mb.com/notes/bukuDifraksi.pdf
Tolong agar di koreksi dan/atau komentari untuk penyempurnaan.

Format Kolom Untuk GSAS

Sekitar tahun 1993-1995, aku terbiasa secara intensif menggunakan GSAS untuk menganalisis data difraksi neutron (lebih dari 20 run) dari Los Alamos National Laboratory (LANL) dan Argonne National Laboratory (ANL). Pada saat itu, data yang harus di analisis untuk 1 run adalah data yang berasal dari 8 bank detektor (untuk LANL). 1 bank detektor setara dengan satu run difraksi dengan alat HRPD di BATAN. Dalam analisis, banyak parameter yang di constraint agar 8 detektor bank tersebut menghasilkan 1 set parameter struktur kristal dan/atau magnetik.

Karena pada umumnya data dari spallation source seperti LANL sangat besar, format datanya dibuat sepadat mungkin. Jumlah baris dalam data dibuat seminimal mungkin sehingga ukuran file tidak besar. Karenanya, pada saat itu, aku terbiasa menggunakan format data yang bukan berupa kolom (posisi, intensitas, error intensitas). Format datanya cukup rinci dijelaskan pada manual GSAS.

Setelah aku selesai S3 dan kembali bekerja di BATAN, aku mulai melihat kendala untuk menggunakan GSAS di BATAN. Kendala pertama adalah bahwa ternyata data dari HRPD mempunyai posisi yang intervalnya tidak selalu sama. Hal ini adalah karena gerakan mekanik tidak dijamin selalu menghasilkan gerakan multi-detektor yang selalu sama. Perbedaan ini dapat dibaca oleh encoder HRPD. Pada saat itu, manual GSAS mengenai penggunaan data yang interval posisinya tidak sama tidak dibahas secara rinci. Walaupun dimungkinkan, namun tahapan konversinya relatif banyak. Kendala kedua, ternyata FULLPROF lebih unggul dibandingkan GSAS untuk analsis struktur magnetik. Maka, aku mulai sering memakai FULLPROF dibandingkan dengan GSAS setelah aku kembali berkerja di BATAN.

Kira2 sebulan lalu, aku mengalami kesulitan dengan FULLPROF. Kesulitan tersebut secara khusus terkait dengan space group Fd3m. Biasanya, dalam software refinement, origin choice nya selalu origin choice 2 dimana simetri inversi berada pada pusat koordinat. Aku mengalami kesulitan untuk menghasilkan intensitas perhitungan mendekati intensitas pengamatan. Lalu aku kembali ke GSAS setelah mempelajari penggunaan format kolom melalui internet. Ternyata, refinement dengan mudah dapat diselesaikan. Aku belum sempat memeriksa apa penyebab mengapa aku tidak berhasil melakukan hal serupa dengan FULLPROF.

Berikut ini adalah format kolom untuk GSAS dimana data difraksinya mempunyai posisi detektor yang intervalnya tidak tetap. Baris pertama adalah baris judul. Baris kedua serupa dengan baris untuk format standard GSAS, namun jumlah record sama dengan jumlah data. Satuan sudut awal dan interval adalah centidegree. Jangan lupa menyertakan tulisan FXYE diakhir baris kedua. Pada baris-baris berikutnya, kolom pertama adalah posisi detektor (=sudut hamburan), intensitas dan error intensitas. Berikut ini adalah cuplikan data (bagian atas saja) dari difraksi HRPD sebagai contoh :

===========================================
JUDUL: SEBARIS INI TERSERAH ANDA
BANK 1 2988 2988 CONST 800.6 5 0.0 0.0 FXYE
800.600 123.188 10.174
805.600 144.259 11.043
811.600 111.031 9.642
816.600 122.377 10.140
821.600 111.841 9.678
825.600 121.567 10.105
830.600 110.221 9.606

===========================================

Mengapa harus Neutron ?

Ada pertanyaan tak di publish pada blog ini: mana neutron nya, kok cuma sinar-X ? Itu merupakan pertanyaan yang masuk akal menilik judul blog ini. Sebenarnya, judul tersebut memang disesuaikan dengan latar belakang akademik S3 dan pekerjaan saya sekarang. Di Indonesia ini, ada fasilitas hamburan neutron dengan sumber reaktor yang daya maksimal 30MW (biasa dioperasikan 15MW). Fasilitas tersebut merupakan fasilitas terbesar di Asia Tenggara, tapi sedihnya produktifitas ilmiahnya minim. Kita sudah dan sedang terus menerus (tapi tak pernah terbentuk) membuat user group. Siapapun yang berminat menggunakan silahkan langsung menghubungi alamat yang ada di website:
http://www.batan.go.id/ptbin/bsn.html
Nanti, kalau usernya sudah banyak, pasti user group tersebut akan terbentuk. Biasanya (di negara maju loh), yang nantinya akan mengarahkan kebijakan user group (kalau sudah terbentuk) adalah user committee yang juga biasanya dari kalangan universitas. Kebijakan user group tersebut adalah termasuk sample yang secara ilmiah layak mendapatkan beam time.

Ok, sekarang mengapa neutron, kok nggak sinar-X aja ? Karena interaksinya yang khas, neutron dengan sinar-X merupakan teknik yang saling melengkapi. Dalam banyak hal neutron lebih unggul, tapi ada kasus dimana sinar-X tidak bisa diabaikan. Interaksi neutron dengan bahan ditentukan oleh panjang hamburan neutron (scattering length) yang unik untuk setiap inti atom. Berkas neutron tidak berinteraksi dengan elektron. Dia langsung menembus dan berinteraksi dengan neutron dalam inti atom. Panjang hamburan hidrogen misalnya, cukup untuk dapat dengan jelas dilihat oleh neutron. Dilain pihak berkas sinar-X berinteraksi dengan elektron diluar inti atom. Perhatikan bahwa proses difraksi sinar-X sama sekali bukan proses inti atom, karena sebelum sampai ke inti atom, berkas sinar-X sudah terhambur. Karenanya, kuat interaksinya ditentukan oleh banyaknya elektron yang ada di kulit terluar. Maka atom hidrogen, misalnya, tidak terlihat oleh sinar-X (hidrogen cuma punya 1 elektron). Jadi kalau kita mau meneliti sel bahan bakar yang menggunakan hidrogen dan ingin melihat sudah berapa banyak hidrogen masuk dalam bahan, maka gunakan neutron (bukan sinar-X). Masih ada lagi keunggulan neutron (toh fasilitasnya ada di Indonesia). Berkas neutron dapat berinteraksi dengan momen magnetik dari neutron pada inti atom. Karenanya, neutron dapat melihat arah dan susunan momen magnetik bahan secara mikroskopik.

Perhatikan bahwa hamburan / difraksi neutron termasuk karakterisasi mikroskopik. Karenanya, tahapan untuk melakukan eksperimen dan analisis data sangat panjang dan bertahap. Hal ini tentu sangat berbeda dengan karakterisasi makroskopik yang pada umumnya cukup dilakukan dengan pencet tombol on-off. Jadi bagi yang sudah bulat tekadnya menggunakan berkas neutron, bersiaplah menempuh jalan yang penuh tantangan........ (siapa takut hayooo)..........