 |
| struktur material graphene |
Apa itu graphene?
Graphene adalah konduktor panas terbaik yang kita miliki saat ini. Di atas itu, graphene adalah material paling tipis di dunia, namun paling kuat. Lebih kuat dari baja, dan tentu saja, lebih ringan. "Dan karena disusun dari satu lapis atom, bentuknya transparan dan fleksibel," kata Tomas.30 Apr 2013
Graphene adalah material yang paling tipis sekaligus yang paling kuat diantaranya. Ia bersifat elastis seperti karet dan tahan dari liquid dan gas. Karena strukturnya yang begitu rapi, ia dapat digunakan sebagai saringan super detail, karena atom-atom besar tidak lewat diantaranya. Ini adalah bagian dari teknologi nano.
Ia sangat baik dalam menghantarkan arus listrik, hampir sama dengan tembaga. Ia dapat menjadi substans yang luar biasa dalam membangun processor karena ia mempunyai sifat yang lebih baik daripada silikon. Karena strukturnya yang terdiri dari karbon saja, maka ia dapat digunakan sebagai sensor yang sangat sensitif. Karena jika ada atom penyusup di antaranya maka daya hantarnya bisa berkurang, hal ini dapat digunakan sebagai sensor.
Graphene sangat kuat. Sehingga jika diibaratkan ada sebuah benda sebesar dan seberat gajah ditaruh di atas sebuah pensil (maksudnya disini agar gayanya terpusat di satu titik). Lalu kemudian digunakan untuk merobek atau mematahkan graphene dengan ketebalan seperti selembar kertas maka itu tidak akan cukup. Kekuatan ini setara dengan 200 kali kekuatan baja. Hal ini pada umumnya dapat membantu di setiap bidang karena material yang sangat kuat cenderung dibutuhkan ketahanannya.
“Kekuatannya yang luar biasa dapat pula untuk membuat material komposit baru yang superkuat sekaligus super ringan, yang bisa digunakan untuk bahan rancang bangun pesawat, mobil, dan satelit,” tambah Komite Nobel. United States Geological Survey Mineral Resources Program mencatat, pada tahun 2007 produksi grafit (sebagai bahan graphene) dunia mencapai 1,11 juta ton. Sayangnya, produksi bahan graphene secara massal belum ada sehingga belum digunakan untuk membuat produk konsumen. “Kebanyakan ilmuwan mempelajarinya untuk mengetahui dasar fisikanya,” kata Strano.
Sifat dan Karakteristik
Graphene tampak berupa material kristaline berdimensi dua pada suhu kamar memperlihatkan struktur jaringan karbon yang benar – benar teratur dalam dua dimensi yaitu dimensi panjang dan dimensi lebar. Keteraturan yang tinggi bahkan tanpa cacat ini timbul sebagai akibat dari ikatan antar atom karbonnya yang kuat. Unit dasar struktur ini hanya terdiri atas enam atom karbon yang saling bergabung secara kimiawi. Jarak antar atom C nya sama dengan 0,142 nm. Konfigurasinya menyerupai struktur sarng lebah dengan ketebalan ukuran orde atom, dalam 1 mm grafit terdapat ± 3000 lapisan graphene. Adapun sifat dan karakteristik graphene yang lainnya akan dijelaskan dibawah ini :
1. Memiliki transparansi sangat tinggi, hal ini disebabkan oleh dimensi graphene yang mirip selembar kertas dan ketebalannya yang berorde atom. Namun meskipun memiliki transparansi yang tinggi graphene tetap memiliki kerapatan yang cukup tinggi yaitu 0,77 mg/m2.
2. Memiliki daya tahan terhadap tekanan sebesar 42 N/m, dibandingkan dengan baja yang memiliki kekuatan tekanan 0,25 – 1,2x109 N/m. Jika dianggap terdapat baja yang ketebalannya sama dengan graphene, maka kekuatan baja tersebut setara dengan 0,084 – 0,40 N/m. Sehingga dapat dikatakan bahwa graphene seratus kali lebih kuat dari baja.
3. Ikatan atom karbonnya sangat fleksibel yang memungkinkan jaringannya merenggang hingga 20 % dari ukuran awal.
4. Bersifat konduktor listrik dan konduktor panas. Sifat konduktivitas listrik graphene berasal dari elektron ikatan phi yang terdelokalisasi disepanjang ikatan C-C dan bertindak sebagai pembawa muatan. Graphene merupakan bahan superkonduktor, namun dapat berubah menjadi semikonduktor dengan menambahkan dopping. Dopping ini akan memutuskan ikatan phi pada atom karbon yang bersangkutan, sehingga menurunkan konduktivitas listrik graphene atau membuka band gap.
5. Tingkat resistivitasnya menuju nol.
6. Kisi – kisi pada graphene memungkinkan elektronnya untuk dapat menempuh jarak yang jauh dalam graphene tanpa gangguan. Pada konduktor normal, elektron biasanya mengalami pantulan berkali – kali yang dapat melemahkan daya kerja konduktor. Namun hal ini tidak terjadi pada graphene.
7. Elektron – elektron pada graphene berperilaku sebagai partikel cahaya, foton – foton tanpa massa yang dalam keadaan vakum dapat bergerak dengan dengan kecepatan 300.000.000 m/s. Elektron dalam graphene karea tidak memiliki massa dapat bergerak dengan kecepatan konstan sebesar 1.000.000 m/s.
8. Dengan transparansi hampir 98 % dan dapat menghantarkan arus listrik dengan sangat baik, graphene berpeluang untuk diaplikasikan pada pembuatan lapisan sentuh yang transparan, panel listrik dan sel surya.
9. Campuran 1 % graphene dengan bahan plastik dapat membuat bahan plastik bersifat menghantarkan panas. Resistansi plastik akan meningkat sampai 30 ͦ C bersamaan dengan meningkatnya kekuatan mekanis. Hal ini memberi peluang untuk menghasilkan material baru yang sangat kuat, tipis, elastis dan tembus pandang.
10. Menjelaskan beberapa fenomena fisika kuantun yang menggambarkan bagaimana sebuah partikel kadang – kadang dapat melewati sebuah penghalang yang pada keadaan normal akan menghalangi partikel tersebut. Semakin tebal penghalang, maka semakin kecil kemungkinan dapat melewatinya. Namun hal ini tidak berlaku pada elektron yang bergerak didalam graphene, elektronnya dapat bergerak bebas layaknya tidak ada penghalang .
Beberapa metode yang digunakan untuk memproduksi matrial Graphen
Metode Sintesis
Berbagai metode telah dikembangkan untuk membuat graphene. Metode-metode ini terbagi menjadi dua, yaitu pembelahan grafit menjadi lapisan-lapisan graphene (top down) dan penumbuhan graphene secara langsung dari atom-atom karbon (bottom up). Yang termasuk metode top down adalah metode pengelupasan sadangkan metode bottom up adalah reduksi Graphene Oksida, dispersi dalam cairan, dan pertumbuhan epitaksial.
Berikut penjelasan lebih rinci mengenai berbagai macam metode pembuatan graphene :
a. Pengelupasan
Metode pengelupasan merupakan metode yang digunakan oleh Andre Geim dan Konstantin Novoselov (penemu graphene). Dalam metode pengelupasan, selotip direkatkan pada grafit lalu dikelupas sehingga di selotip tersebut ada lapisan tipis grafit. Perekatan selotip dilakukan berkali-kali sampai didapat satu lapisan graphene.
Andre Geim dan Konstantin Novoselov menemukan graphene dengan tidak sengaja. Mulanya, beliau sedang bekerja di laboratorium kemudian melihat peneliti seniornya yang sedang meneliti grafit. Peneliti seniornya tersebut menempelkan selotip ke grafit dan mengelupasnya dengan tujuan membersihkan grafit lalu membuang selotip tersebut ke tempat sampah. Andre Geim dan Konstantin Novoselov tertarik dengan lapisan grafit yang ada di selotip tersebut. Ternyata setelah mereka kaji dan dilakukan karakterisasi, lapisan grafit yang menempel di selotip ini lebih memiliki sifat unggul dari pada grafitnya.
Keunggulan dari metode ini adalah graphene yang dihasilkan berkualitas tinggi (murni atau tidak memiliki impuritas) karena diambil langsung dari grafit. Selain itu, kualitasnya tinggi karena tidak digunakan pelarut saat mensintesisnya sehingga tidak ada sifat pelarut yang terbawa ke graphene yang dihasilkan. Sedangkan kelemahan dari metode ini adalah hasil produksi dalam skala kecil, biaya produksi tinggi, dan tebal graphene yang tidak rata. Metode ini cocok jika graphene yang dihasilan untuk penelitian dimana jumlah produksi yang diinginkan memang skala laboratorium.
Selotip tidak mempengaruhi graphene yang terbentuk karena sifat graphene yaitu konduktivitas listrik yang baik (disebabkan karena elektron bergerak sangat cepat dengan kecepatan relativistik karena massa dari graphene sangat kecil sehingga dianggap nol), konduktivitas panas yang baik (disebabkan perbandingan luas permukaan dan volumenya yang besar sehingga konduktivitas panas graphene lebih besar dibanding material lainnya), band gap nol (dipengaruhi oleh bentuk tepi pita graphene), sifat optiknya yaitu sifat transparannya yang baik (karena graphene hanya setebal satu atom). Dengan meninjau penyebab dari sifat-sifat yang dimiliki graphene maka selotip tidak mempengaruhi sifat graphene yang terbentuk.
Tahap lanjutan dari proses pengelupasan adalah drawing method yaitu mentransfer lapisan graphene pada selotip ke substrat dengan cara menempelkan lapisan tersebut ke substrat1. Substrat yang biasa digunakan adalah silikon (Si) dan Silika (SiO2). Silikon yang semula bersifat semikonduktor lalu didoping oleh graphene sehingga memiliki konduktivitas listrik sangat baik dan menjadi konduktor. Dengan adanya metode ini, graphene yang terbentuk dapat langsung digunakan.
a. Reduksi Graphene Oksida (GO)
Tahapan sintesisnya adalah Graphene Oksida (GO) dilarutkan dalam air. Karena GO bersifat hidrofobik, lembaran-lembaran GO langsung terpisah dari kristal asalnya. Kemudian, untuk mendapatkan graphene, GO diendapkan dan direduksi dengan hidrazin.
Graphene yang dihasilkan ternyata tidak rata dan memiliki konduktivitas yang rendah, yaitu 0,05 - 2 S/cm karena masih adanya atom impuritas yaitu sisa pereduksi dan pelarut yang menempel pada graphene. Tetapi bukan berarti metode ini tidak bisa diterapkan. Metode ini berguna jika graphene yang dihasilkan diaplikasikan untuk tinta, cat, dan elektroda dimana tidak membutuhkan tingkat konduktivitas terlalu tinggi. Selain memiliki kekurangan, metode ini juga memiliki kelebihan yaitu hasil produksi dalam jumlah besar dan biaya produksi murah.
b. Dispersi Dalam Cairan
Pada metode ini, cairan yang digunakan adalah larutan surfaktan SDBS (sodium dodecylbenzene sulfonate). Saat dilarutkan, grafit terlepas dengan sendirinya karena sifatnya yang hidrofobik. Setelah itu, dilakukan pengendapan dan pengeringan sehingga graphene dapat dikumpulkan. Jenis larutan yang dapat digunakan untuk metode ini memiliki kriteria grafit tidak larut dalam pelarut tersebut. Namun sampai saat ini, larutan yang digunakan adalah larutan surfaktan SDBS (sodium dodecylbenzene sulfonate).
Graphene yang dihasilkan memiliki tebal sekitar 150 nm, dan memiliki konduktivitas 1500 S/m. Nilai konduktivitas yang rendah ini disebabkan amsih menempelnya molekul surfaktan sehingga mengganggu jalannya elektron dan menurunkan konduktivitas. Walaupun demikian, cara ini memiliki keunggulan bahwa memerlukan sedikit biaya dan hasil produksi cukup banyak.
Metode ini sangat cocok diterapkan jika graphene yang dihasilkan digunakan untuk elektroda transparan dan untuk sensor dimana tidak membutuhkan tingkat konduktivitas terlalu tinggi.
c. Pertumbuhan Epitaksial
Metode pertumbuhan epitaksial adalah metode yang menggunakan substrat sebagai bibit pertumbuhannya sehingga ikatan antara lembaran grafena bagian bawah dengan substrat dapat memengaruhi sifat-sifat lapisan karbon2. Berdasarkan substratnya, pertumbuhan epitaksial dibedakan menjadi penumbuhan dengan CVD Logam (Chemical Vapor Deposition) dan Penumbuhan dari Silikon Karbida.
i) Penumbuhan dengan CVD Logam
Mekanisme penumbuhan graphene pada logam :
1. Logam (Cu dan Ni) bersuhu suhu 1000oC direaksikan dengan gas (metana + hidrogen) ; alasan digunakan logam Cu dan Ni karena logam ini dapat dikikis dengan etsa sehingga graphene yang dihasilkan tidak terikat pada substrat logam. Etsa adalah peristiwa pengikisan bagian permukaan logam dengan menggunakan asam kuat
2. Suhu diturunkan sampai suhu ruang sehingga atom karbon mengendap di permukaan logam menjadi graphene (Jawaban pertanyaan dari Sena Harimurty)
3. Graphene yang telah ditumbuhkan pada logam tersebut dipindahkan ke substrat PMMA (Polymethyl Metcrylate) sedangkan logamnya dietsa hingga habis. Alasan digunakannya PMMA karena dapat dikikis habis dengan aseton sehingga graphene yang terbentuk tidak terikat pada PMMA.
Selain PMMA, polimer lain juga berpotensi untuk mejadi substrat kemudian dilakukan proses annealing (dipanaskan pada suhu tertentu dan pada waktu tertentu) sehingga polimer terkikis habis. Tetapi, sampai saat ini polimer yang digunakan sebagai substrat adalah PMMA karena sifat PMMA yang fleksibel jadi jika tidak dikikis pun graphene yang menempel di PMMA dapat menjadi produk fleksibel yang bersifat konduktor dan dapat diterapkan untuk flexible screens, dan solar cell.
Graphene yang ditumbuhkan dengan metode ini memiliki mobilitas pembawa muatan yang tinggi (100-2000 cm2/Vs) karena substrat tempat tumbuhnya telah dikikis habis dan jumlah graphene yang dihasilkan dalam skala cukup besar.
Tetapi kelemahan pada metode ini adalah biaya produksi yang besar, logam harus dipanaskan sampai suhu 1000oC, dan prosesnya yang cukup lama. Hasil graphene dengan metode ini dapat diterapkan untuk touch screens, fleksibel LED, fleksibel OLED, dan solar cell.
 |
| Gambar metode produksi graphen menggunakan metode
Penumbuhan dengan CVD Logam
|
i) Penumbuhan dengan Silikon Karbida
Penumbuhan dengan Silikon Karbida berarti menggunakan Silikon Karbida (SiC) sebagai substrat pertumbuhannya. Ada dua cara penumbuhannya yaitu :
Cara I
Substrat SiC dipoles sampai rata kemudian dipanaskan (1500oC) dalam Ultra High Vacuum (10-10torr) sehingga atom-atom Si menyublim dan atom karbon tertinggal di permukaan membentuk graphene.
Cara II
Substrat SiC dipanaskan (1500oC) dalam vakum tingkat sedang (10-5 torr) dengan menyisakan gas (O2, H2O, CO2). Gas-gas tersebut bereaksi dengan SiC dan menyisakan atom karbon yang membentuk graphene.
Keunggulan dari metode ini adalah substrat SiC dapat langsung digunakan sebagai piranti elektronik dan menghasilkan graphene berkualitas tinggi karena tidak menggunakan pelarut. Selain itu, dihasilkan graphene berkualitas tinggi karena atom Si tidak berekasi dengan karbon, melainkan menyublim pada cara I dan bereaksi dengan gas-gas pada cara II. Sedangkan kelemahan dari metode ini adalah biaya produksi yang tinggi karena mahalnya harga substrat dan memerlukan suhu yang tinggi mencapai 1500oC.
Graphene yang dihasilkan dengan menggunakan metode ini dapat diaplikasikan menjadi transistor, jumper atau interconnect sircuit, dan memory card.
a. Metode Unzipping Multi-walled Carnon Nanotubes
Salah satu metode pembuatan Carbon Nanotubes adalah dengan menggulung graphene pada arah tertentu sehingga membentuk tabung atau tube. Akan terbentuk Carbon nanotubes multi-walled saat lapisan graphene yang digulung lebih dari satu (banyak). Metode Unzipping Multi-walled Carnon Nanotubes adalah metode yang membuka kembali gulungan tersebut sehingga menjadi lapisan graphene kembali.
Keunggulan dari metode ini adalah menghasilkan graphene dengan kualitas tinggi karena tidak adanya atom impuritas dan biaya produksinya yang murah. Sedangkan kelemahannya adalah skala hasil produksinya tidak besar. Metode ini cocok diterapkan jika ingin menghasilkan graphene yang digunakan untuk transistor efek medan dan superkapasitor yang membutuhkan tingkat konduktivitas sangat tinggi.
Pengaplikasian Graphene terhadap teknologi.
Aplikasi yang pertama kali akan menggunakan material graphene yaitu sebagai bahan pengganti logam mahal seperti Indium selenida yang terdapat dalam sel surya. Kedua, sebagai bahan perangkat komunikasi. Produk seperti ponsel, akan diintegrasikan dengan pakaian, potongan kertas atau bahkan pada jendela rumah. Aplikasi lainnya yaitu sebagai display transparan yang dapat diintegrasikan dimana saja seperti pada jendela, gelas, dan di dinding. Semua itu membutuhkan material yang sangat tipis dan transparan yaitu graphene.
Produk – produk yang mengandung graphene seperti sel surya mungkin akan beredar di pasaran dalam waktu beberapa tahun, sedangkan untuk aplikasi yang lebih kompleks seperti komputer atau ponsel akan memakan waktu yang lebih lama yaitu 5 atau 10 tahun kedepan. Secara umum produk – produk tersebut akan berdampak di pasaran dalam kurun waktu sekitar 20 tahun.
Tantangan yang dihadapi adalah bagaimana cara untuk memproduksi graphene secara massal mengingat graphene pertama kali diisolasi menggunakan teknik Tape Scotch yaitu satu strip tipis dikelupas dari satu blok grafit dengan menggunakan selotip. Mengingat bahannya yang sangat tipis maka dalam mengisolasi diperlukan tindakan yang hati-hati, jika tidak akan berdampak pada sifat bahannya.
Ambisinya adalah suatu saat graphene dapat diproduksi massal dengan mekanisme yang sama halnya dengan mencetak surat kabar, dari gulungan ke gulungan dengan peralatan yang sama, dan hal ini akan mengubah ekonomi industri elektronik secara keseluruhan.
Pendeteksi molekul gas tunggal
Grafena dapat digunakan sebagai sensor yang sangat baik untuk menentukan struktur 2D dimana keseluruhan isi grafena memiliki permukaan yang besar, membuat grafena sangat efisien untuk mendeteksi molekul yang diadsorpsi.Lokasi dari adsorpsi mengalami perubahan dalam tahanan listrik. Saat efek ini terjadi dalam material lain, grafena memiliki keunggulan karena mempunyai konduktivitas listrik yang tinggi dan rendahnya gangguan, yang membuat grafena ini tidak mengalami perubahan dalam mendeteksi.
Ultrakapasitor
Menurut Prof. Rod Ruoff grafin memiliki luas permukaan 2630 M2/gram dapat membentuk lapisan-lapisan dan menghasilkan ruang-ruang yang dapat menyimpan energi sehingga bisa digunakan sebagai ultrakapasitor. Ultrakapasitor dari grafena ini mempunyai rapat massa yang tinggi dibandingkan dengan kapasitor-kapasitor dielektrik konvensional. Selain itu ultrakapasitor dari grafena memiliki range yang besar dalam menangkap energi dan menyimpan energi tersebut sehingga dapat pula dijadikan sebagai sumber daya primer bila dikombinasikan dengan aki atau sel bahan bakar. Ultrakapasitor dari grafena dapat menangkap kembali energi yang terbuang dengan mengubah energi kinetik menjadi energi potensial sehingga akan mengurangi kalor yang terbuang. Industri dapat mengurangi energi yang terbuang dengan memasang ultrakapasitor dalam mesin-mesin produksi dan dapat pula diterapkan pada bus, truk dan kereta api.
Graphene Nanoribbons
Graphene Nanoribbons (GNRs) adalah lapisan tunggal yang esensial dari grafena yang dipotong dengan pola tertentu untuk menghasilkan sifat-sifat listrik tergantung dari tepi lembaran tersebut, dapat berbentuk Z atau armchair. Berdasarkan perhitungan prediksi tigh binding bahwa GNR yang zigzag bersifat logam, sedangkan armchair dapat bersifat logam ataupun semilogam tergantung lebarnya. GNR dapat mempunyai sifat logam hingga semikonduktor tergantung chirality-nya. GNR bertepi zigzag bersifat logam dengan bentuk khas pada kedua sisinya tanpa memperhatikan lebarnya. Sementara GNR bertepi armchair dapat bersifat logam ataupun semikonduktor tergantung pada lebar NA. GNR armchair akan bersifat logam jika NA = 3k + 2 ( k adalah bilangan bulat ) dan jika tidak maka bersifat semikonduktor. Akhir-akhir ini bermacam-macam junction seperti bentuk L, bentuk T dan bentuk Z di dasarkan pada dua jenis GNR yang telah diusulkan tersebut. Walaupun junction-junction ini memiliki bentuk geometri yang sama dengan junction Quasi satu dimensi yang lain, keadaan elektronnya sangat berbeda dari junction yang lain karena pada GNR elektron-elektronnya mempunyai sifat yang khas.
Perhitungan DFT akhir-akhir ini memperlihatkan nanoribbons armchair bersifat semikonduktor dengan skala [energi] GAP nya berbanding terbalik dengan lebarnya . Hasil eksperimen `memperlihatkan bahwa energi GAP benar-benar meningkat dengan menurunnya lebar GNR . Meskipun demikian tidak ada data eksperimen yang mengukur energi GAP dari suatu GNR dan mengidentifikasi dengan tepat struktur tepinya .
Nanoribbons zigzag juga bersifat semikonduktor dan memiliki spin tepi yang terpolarisasi. Struktur 2Dnya memiliki daya hantar listrik dan termal yang tinggi dengan ganguan yang kecil memungkinkan GNR digunakan sebagai alternatif pengganti tembaga untuk sambungan-sambungan sirkuit tembaga. Beberapa penelitian juga dilakukan untuk membuat Quantum dots dengan mengubah lebar GNR pada titik tertentu disepanjang pita untuk membuat quantum confinement.
Transistor Grafena
Transistor grafena sudah ditemukan sejak 2 tahun yang lalu, namun transistor tersebut masih mengalami kebocoran dan memengaruhi penampilan atau performa jika digunakan pada chip komputer, akan tetapi setelah dua tahun berikutnya kebocoran dari graphene dapat ditutupi dan telah diciptakan transistor grafena yang benar-benar stabil. Transistor grafena memiliki kelebihan dibandingkan dengan material lain seperti silikon,diantaranya tidak cepat membusuk dan tidak cepat teroksidasi.
Sumber:
1. Widiatmoko, Eko. GRAPHENE : SIFAT, FABRIKASI, DAN APLIKASINYA. Bandung : Jurusan Fisika, Institut
a. Teknologi Bandung
0 comments