Karakterisasi Spektrum Unsur Tembaga (Cu) Fungsi Waktu Tunda Menggunakan Metode Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)

Karakterisasi Spektrum Unsur Tembaga (Cu) Fungsi Waktu Tunda Menggunakan Metode Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)

M. Ikhwan Najmi1), Gunarjo S. Budi 2), Komang Gde Suastika 3), Hery Suyanto4)

1 Mahasiswa Prodi Pendidikan Fisika, FKIP Universitas Palangka RayaJl. Hendrik Timang Kampus Tunjung Nyaho, Palangka Raya-Kalteng

Email: [email protected], 3 Dosen Prodi Pendidikan Fisika, FKIP Universitas Palangka Raya

Jl. Hendrik Timang Kampus Tunjung Nyaho, Palangka Raya-KaltengEmail: [email protected]

4 Dosen Jurusan Fisika, FMIPA Universitas UdayanaJl. Kampus Bukit Jimbaran, Badung-Bali

Email : [email protected]

ABSTRAK

Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) merupakan perangkat peralatan spektroskopi atomik yang mampu menganalisis secara kualitatif maupun kuantitatif dengan memanfaatkan emisi foton serta laser sebagai sumber energi ablasi. Tujuan dari penelitian ini adalah mengkarakterisasi spektrum unsur tembaga. Karakterisasi spektrum unsur tembaga dilakukan untuk mengetahui parameter-parameter dasar yang cocok bagi penelitian lanjutan yang dapat dijadikan acuan awal dalam penentuan spesifikasi variabel. Karakterisasi spektrum Cu dilakukan dengan pengambilan data dengan variasi waktu tunda deteksi dari 0 μs hingga 10 μs dengan interval 0,5 μs. Perangkat LIBS yang digunakan diberikan spesifikasi energi laser 120 mJ, spot size 100 μm, 3 accumulation shot, dan 0 clean shot. Karakteristik spektrum unsur tembaga (Cu) didapat setelah melakukan analisis spektra, rasio signal to background (S/B) dan FWHM. Hasil karakterisasi dari spektrum unsur tembaga (Cu) dengan menggunakan metode LIBS terdapat lima jenis panjang gelombang Cu yang terdeteksi, yaitu 324,7 nm, 327,4 nm, 510,5 nm, 515,3 nm, dan 521,8 nm. Spektra yang dihasilkan paling baik adalah pada waktu tunda deteksi 2 μs hingga 2,5 μs. Dari perhitungsn rasio signal to background, unsur tembaga dengan panjang gelombang 521,8 nm memiliki trend menanjak dengan semakin besar waktu tunda, semakin besar pula rasio S/B-nya. Dari FWHM juga didapat trend menurun dengan semakin besar waktu tunda, semakin kecil pula lebar kurvanya.

Kata kunci: Karakterisasi, LIBS, spektrum instensitas, keping tembaga, waktu tunda

ABSTRACT

Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is a hardware device that is capable of atomic spectroscopy to analyze qualitatively and quantitatively by utilizing photon emission and laser ablation as an energy source. The purpose of this study was to characterize the spectrum of the element copper. Spectral characterization of copper element was conducted to determine parameters suitable basis for further research that can be used as a starting point in the determination of variable specifications. Cu spectral characterization is done by taking the data with a variety of delay time detection 0 μs to 10 μs with intervals of 0.5 μs. LIBS device has given specification like laser energy of 120 mJ, spot size of 100 μm, 3 accumulation shot, and 0 clean shot. Spectrum characteristic elements of copper (Cu) obtained after spectral analysis, signal-to-background ratio (S/B) and FWHM. Results of the spectrum element copper (Cu) characterization using LIBS methods was there are five types of wavelength Cu were detected, namely 324.7 nm, 327.4 nm, 510.5 nm, 515.3 nm, and 521.8 nm. The resulting spectra that are best at the delay time detection of 2 μs to 2.5 μs. From signal-to-background ratio calculation, the copper element with a wavelength of 521.8 nm has the uphill trend with a greater time delay, the greater the ratio S/B was. From the FWHM also obtained decreasing trend with a greater time delay, the smaller the width of the curve.

Keywords: Characterization, LIBS, intensity spectrum, copper chip, delay time

TELAH DISEMINARKAN PADA SEMINAR NASIONAL FISIKA UNIVERSITAS PALANGKA RAYA TAHUN 2015, 26 MARET 2015ISSN: 2460-0210, DITERBITKAN: 26 MEI 2015

mailto:[email protected]

1. PENDAHULUANMetode LIBS, laser pulsa dengan durasi pendek (~7 ns) seperti laser Nd:YAG

difokuskan pada permukaan sampel, sebagian kecil (~µg) diablasikan dengan kecepatan tinggi dan terjadi kompresi adiabatis dengan lingkungan yang menyebabkan terjadinya gelombang kejut (shock wave). Energi ini akan digunakan untuk mengeksitasikan atom-atom dalam sampel. Selanjutnya transisi elektron-elektron dalam atom yang tereksitasi ke ground state, ini akan melepaskan/memancarkan emisi foton dengan panjang gelombang tertentu dan ditangkap oleh spektrometer, kemudian ditampilkan dalam spektra intensitas fungsi panjang gelombang. Berdasarkan spektra ini dapat dianalisis unsur-unsur penyusunnya baik kualitatif maupun kuantitatif. Salah satu kelemahan teknik LIBS ini adalah intensitas sinyal latarnya (background) cukup tinggi. Ada beberapa cara untuk mengatasinya, diantaranya dengan melakukan penundaan waktu deteksi (delay time detection). Tembaga merupakan salah satu unsur dasar yang mudah ditemui dalam laboratorium dasar MIPA di perguruan tinggi manapun. Dalam bentuk kepingan, tembaga digunakan sebagai bahan sederhana yang dijadikan sebagai sampel untuk dikarakterisasi dan dianalisis menggunakan metode LIBS ini.

Karakterisasi spektrum unsur tembaga dilakukan untuk mengetahui parameter-parameter dasar yang cocok bagi penelitian lanjutan yang dapat dijadikan acuan awal dalam penentuan spesifikasi variabel. Full Width at Half Maximum (FWHM) sebagai contoh dapat dianalisis lebih lanjut untuk mendapatkan analisis kuantitatif persentase atom dalam molekul.

2. KAJIAN PUSTAKALIBS adalah metode spektroskopi untuk analisis kuantitatif dan kualitatif unsur yang

terkandung dalam sebuah bahan. LIBS dilakukan pada kondisi tekanan atmosfer. Teknik ini didasarkan pada analisis emisi plasma yang dihasilkan dengan cara memfokuskan laser pulsa berdaya tinggi pada sampel pada kondisi tekanan atmosfer. Sedangkan LISPS merupakan metode spektroskopi yang dilakukan pada kondisi tekanan rendah [1].

Menurut Cremers, LIBS merupakan perangkat peralatan spektroskopi atomik yang mampu menganalisis secara kualitatif maupun kuantitatif dengan memanfaatkan emisi foton serta laser sebagai sumber energi ablasi. Terablasinya elektron maupun atom-atom dalam sampel tersebut disebabkan oleh pemfokusan laser ke permukaan sampel melalui lensa kemudian terbentuklah plasma [2].

Pada mulanya, plasma berisikan elektron-elektron, ion-ion, atau atom-atom dalam keadaan stabil/normal. Seluruh elektron, ion dan atom akan tereksitasi akibat adanya shockwave yang terjadi sesaat setelah proses kompresi adiabatis. Atom-atom yang tereksitasi akan kembali ke keadaan normal dengan mengemisikan foton yang sesuai dengan karakteristik atom yaitu panjang gelombang (λ) tertentu. Emisi foton ini dideteksi dengan fungsi total intensitas yang sebanding dengan konsentrasi atau jumlah atom (unsur) yang ada dalam sampel. Pendeteksian ini dilakukan oleh spektrometer yang menghasilkan spektrum. Spektrum tersebut merupakan hasil analisis secara kualitatif dan kuantitatif yang ditampilkan pada komputer. Spektrum yang ditampilkan pada komputer berupa intensitas emisi atom fungsi panjang gelombang. Kualitas hasil analisis ini sangat bergantung pada kondisi proses pembentukan plasma dan proses pendeteksiannya [3].

Dalam penelitian ini laser yang digunakan adalah laser Nd:YAG sebagai sumber energi ablasi dengan panjang gelombang 1064 nm dan lebar pulsa 7 ns serta energi maksimum laser sebesar 200 mJ.

3. METODE PENELITIANSusunan peralatan untuk penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 1 . Sistem LIBS yang

terdiri dari spektrometer ocean optic HR 2500+, tempat sampel, Nd:YAG laser (model CRF 200 mJ, 1 .064 nm, 7 ns) dan perangkat lunak OO LIBS. Pada penelitian ini, Nd:YAG laser dengan frekuensi 5 Hz, energi 120 mJ difokuskan ke sampel melalui lensa cembung dengan


panjang fokus 10 cm dan terbentuk plasma. Emisi radiasi unsur tertentu dalam plasma dianalisis dengan spektrometer multikanal optik CCD 14,336 pixels, rentang panjang gelombang dari 200 – 980 nm dengan resolusi 0.1 nm.

Karakterisasi spektrum Cu dilakukan dengan pengambilan data dengan variasi waktu tunda deteksi dari 0 μs hingga 10 μs dengan interval 0,5 μs. Perangkat LIBS yang digunakan diberikan spesifikasi energi laser 120 mJ, spot size 100 μm, 3 accumulation shot, dan 0 clean shot.

Gambar 1. Skema sederhana komponen utama Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)

Pada penelitian ini, keping tembaga 99% yang digunakan sebagai sampel bersifat homogen dengan ukuran panjang 24,5 mm, lebar 20 mm, dan tebal 1 mm. Permukaan sampel dapat dijadikan target tembakan laser dimanapun karena sifat homogennya.

Gambar 2. Variabel Penelitian

Teknik analisis data yang digunakan dalam penelitian ini dilakukan melalui beberapa persamaan. Data Intensitas yang diperoleh dari hasil eksperimen harus dikurangi dengan sinyal intensitas latar pada masing-masing detektor yang diambil sebelum melakukan percobaan. Intensitas unsur tersebut dapat dihitung menggunakan persamaan berikut.

I unsur=I puncak−Ibg

Rasio signal to background (S/B) dapat dihitung dari hasil perhitungan intensitas unsur sebelumnya. Rasio signal to background bisa dihitung dengan persamaan (3.2) berikut.

SB

=I unsur

I bg


Sampel Tembaga

Perhitungan FWHM dilakukan dengan menghitung lebar kurva pada tengah-tengah tinggi kurva. Untuk mempermudah pencarian pertengahan tinggi kurva dapat dilakukan perhitungan terlebih dulu dengan persamaan (3.3) berikut.

I a=I b=I bg+12

( I puncak−I bg )

Dapat diperoleh panjang gelombang pada titik a (λa) dan gelombang pada titik b (λb), kemudian didapat selisih keduanya shingga didapatkan FWHM dari kurva tersebut.

FWHM=λb−λa

4. HASIL PENELITIAN DANPEMBAHASANKeping tembaga (Cu) digunakan dalam penelitian ini memilliki ketebalan 1 mm dengan

ukuran 2 cm x 2,45 cm. Keping tersebut kemudian dianalisis dengan LIBS dan hasilnya seperti tertera pada Gambar 3. Pada gambar terlihat hasil spektrum emisi yang dideteksi oleh 7 sensor yang berbeda. Setiap sensor memiliki kemampuan/sensitivitas pendeteksian yang berbeda sehingga menghasilkan intensitas latar yang berbeda pula. Namun dalam Gambar 3 telah disetarakan satu sama lain dengan intensitas latar yang diukur pada awal percobaan pengambilan data.

Gambar 3. Spektrum emisi yang terkandung pada keping tembaga

Gambar 3 menunjukkan sinyal latar pada spektrum emisi dengan waktu tunda 0 s sangat tinggi dibandingkan untuk waktu tunda 2 s. Hal ini disebabkan kerapatan partikel pada plasma yang terbentuk masih sangat besar, ini dikarenakan pada saat laser menembakkan pulsa dengan energi 120 mJ dalam waktu yang bersamaan terbentuk plasma yang juga langsung ditangkap oleh sensor spektrometer tanpa ada waktu tunda (0 s). Plasma tersebut masih belum mengembang sehingga nilai kerapatan partikelnya juga sangat tinggi. Berbeda halnya dengan spektrum emisi dengan waktu tunda 2 s, kerapatan partikel pada variabel ini sudah mengecil dibanding pada waktu tunda 0 s. Pada saat itu volume telah mengembang sedemikian rupa sehingga sinyal latarnya lebih rendah daripada spektrum emisi dengan waktu tunda 0 s.

Dari data percobaan, diambil dua data panjang gelombang yaitu Cu 324,7 nm dan Cu 521,8 nm untuk setiap waktu tunda 0 s hingga 10 s dengan interval 0,5 s. Adapun data spektrum emisi unsur dapat dilihat pada Lampiran 1.2. Dari data Intensitas emisi unsur Cu 324,7 nm dan 521,8 nm dapat dibuat grafik intensitas fungsi panjang gelombang dengan menggunakan Microsoft Excel dan hasilnya seperti Gambar 4 dan Gambar 5.


Gambar 4. Grafik intensitas fungsi panjang gelombang emisi unsur Cu 324,7 nm untuk variasi waktu tunda

Gambar 5. Grafik intensitas fungsi panjang gelombang emisi unsur Cu 521,8 nm untuk variasi waktu tunda

Gambar 4 dan Gambar 5 merupakan grafik intensitas fungsi panjang gelombang dari sampel keping tembaga Cu. Pada grafik tersebut masih mengandung sinyal latar (latar) lingkungan. Intensitas signal latar (Ib) dipilih pada panjang gelombang disekitar intensitas puncak yang mempunyai intensitas terendah. Ketidaksesuaian intensitas puncak hasil eksperimen dengan Tabel NIST [4] (324,7540 nm dan 521,8202 nm) karena sensor pada sistem LIBS memiliki toleransi perbedaan panjang gelombang antara teori dan hasil eksperimen sebesar 0,1 nm. Apabila selisih antara teori dan hasil eksperimen lebih dari 0,1 nm, maka harus dicari terlebih dahulu unsur lain selain unsur yang digunakan dalam penelitian yang mendekati panjang gelombang tersebut. Misalnya jika dalam penelitian digunakan unsur Cu (324,7540 nm dan 521,8202 nm), sedangkan dalam eksperimen didapatkan intensitas puncak yaitu 324,5072 nm dan 521,7425 nm, maka harus dicari terlebih dahulu unsur selain Cu yang memiliki panjang gelombang mendekati intensitas puncak hasil eksperimen (324,5072 nm dan 521,7425 nm) [5]. Apabila tidak ada unsur lain selain unsur Cu, maka panjang gelombang puncak tersebut adalah unsur Cu. Akan tetapi jika ditemukan unsur lain, maka hasur dilihat probabilitas transisi elektron yang paling besar antara unsur-unsur tersebut dimana yang memiliki nilai lebih besarlah yang digunakan [6]. Hal yang sama berlaku untuk unsur-unsur yang lain dalam analisis menggunakan LIBS. Berdasarkan perhitungan, maka didapatkan intensitas puncak pada panjang gelombang 324,5072 nm dan 521,7425 nm serta intensitas latar pada panjang gelombang 323,648 nm dan 522,705 nm sehingga intensitas emisi unsur Cu 324,5072 nm dan Cu 521,7425 nm termuat dalam tabel dibawah ini.


Tabel 1. Tabel Intensitas puncak, Intensitas latar, dan Intensitas unsur terhadap waktu tunda (td) pada Cu 324,7 nm dan Cu 521,8 nm

td

(us)ICu (au)

324,70 nm

521,80 nm

5 21,67 30,00

0 334,00 404,33 5,5 21,00 18,67

0,5 184,33 196,67 6 14,33 21,33

1 127,33 109,67 6,5 15,00 10,67

1,5 105,33 109,67 7 14,33 15,00

2 95,67 119,33 7,5 11,33 14,33

2,5 59,33 68,67 8 12,33 18,67

3 59,67 68,33 8,5 11,33 11,67

3,5 55,67 69,33 9 8,33 10,00

4 40,33 34,33 9,5 10,67 15,33

4,5 25,00 36,67 10 8,00 14,00

Data tersebut kemudian dibuat grafik intensitas unsur Cu 324,7 nm dan Cu 521,8 nm fungsi waktu tunda dengan menggunakan Microsoft Excel dan hasilnya seperti pada Gambar 6.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 100

50

100

150

200

250

300

350

400

450

324.7521.8

td (us)

Sin

yal In

tensit

as (

arb

. unit

s)

Gambar 6. Grafik intensitas fungsi waktu tunda emisi unsur Cu 324,7 nm dan Cu 521,8 nm

Pada Gambar 6 terlihat bahwa intensitas emisi unsur Cu 324,7 nm dan Cu 521,8 nm sangat tinggi pada waktu tunda 0 us hingga 0,5 us. Intensitas tinggi tersebut disebabkan kerapatan partikel pada plasma masih sangat tinggi sehingga memungkinkan masih terjadinya tumbukan antar partikel.

Dari lima panjang gelombang emisi unsur Cu, unsur Cu yang memiliki rasio S/B paling baik adalah Cu 521,8 nm.

Gambar 7. Grafik rasio S/B fungsi waktu tunda pada Cu 521,8 nm

Pada Gambar 7 terlihat bahwa rasio S/B dalam peningkatan waktu tunda memiliki trendline yang meningkat. Rasio Signal to Background menunjukkan data kualitatif dari spektrum emisi unsur Cu 521,8 nm.

Data penelitian yang didapat juga diproses untuk mendapatkan analisis kuantitatif. Full Width at Half Maximum merupakan perhitungan lebar panjang gelombang pada intensitas


unsur bagian tengah. Dari seluruh panjang gelombang yang ada dipilih data panjang gelombang Cu 521,8 nm karena memiliki instensitas yang stabil. Grafik intensitas fungsi panjang gelombang unsur Cu 521,8 nm tergambar pada Gambar 8.

Gambar 8. Grafik Intensitas fungsi panjang gelombang emisi unsur Cu 521,8 nm

Gambar 9. Grafik FWHM fungsi waktu tunda pada panjang gelombang Cu 521,8 nm

Pada Gambar 9 terlihat bahwa FWHM dalam peningkatan waktu tunda memiliki trendline yang menurun. FWHM menunjukkan data kuantitatif dari spektrum emisi unsur Cu 521,8 nm [7].

5. KESIMPULANBerdasarkan data yang diperoleh dari analisis LIBS dapat disimpulkan bahwa intensitas

unsur memiliki trend menurun dan terlihat bahwa waktu tunda dengan intensitas stabil dan paling bagus berada pada 2 µs. Rasio signal to background memiliki trend meningkat pula pada panjang gelombang 521,8 nm. FWHM memiliki trendyang menurun pada panjang gelombang 521,8 nm.

6. UCAPAN TERIMA KASIHUcapan terima kasih ditujukan kepada Laboratorium Bersama FMIPA Universitas

Udayana, Kampus Bukit, Bali yang telah memberikan fasilitas peralatan LIBS sehingga penelitian ini dapat diselesaikan.

7. REFERENSI[1] Khumaeni, Ali; Budi, W. Setia; Firdausi, K.S. 2006. Penghitungan Rasio Intensitas Ca

(II) 396,8 nm dan Ca (I) 422,6 nm pada Sampel Tasbih Asli dan Imitasi menggunakan Metode Laser Induced Shock wave plasma (LISPS). Berkala Fisika Vol.9, No.2, hal 55-62.

[2] Cremers, D. A. & L. J. Radziemski. 2006. Handbook of Laser Induced Breakdown Spectroscopy. England: John Wiley and Sons Ltd.


[3] Suyanto, Hery. 2013. Identifikasi Unsur Utama Penyusun Permukaan Bahan Baja Ringan dengan Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). Jurnal Energi dan Manufaktur Vol.6, No.2, 95-205

[4] NIST. 2014. Handbook of Basic Atomic Spectroscopy Data Vol.34 No.4. American Institute of Physics. 1559-2259.

[5] Moore, Charlotte E. 1968. Partial Grotrian Diagrams of Astrophysical Interest. Reprint of Appendix A from “Lines of The Chemical Elements In Astronomical Spectra” by Paul W. Merrill. Washington D.C. NSRDS-NBS 23.

[6] Phelps III, Frederick M. 1991. MIT Wavelength Tables Vol. 2: Wavelength by Element. Massachusets: Second Privt. Radziemski L.J. & D.A Cremers. 2006. Handbook of Laser Induced Breakdown Spectroscopy. England: John Wiley and Sons Ltd.

[7] Hedwig, R.; M. Pardede; T. J. Lie; H. Kurniawan; dan K. Kagawa. 2003. Studi Pendahuluan untuk Analisa Kualitatif dan Kuantitatif Elemen Hidrogen pada Sampel Logam dengan Menggunakan Teknik Ablasi Laser. Seminar Nasional I Opto Elektronika dan Aplikasi Laser.


Documents

Karakterisasi Spektrum Unsur Tembaga (Cu) Fungsi Waktu Tunda Menggunakan Metode Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)