SEJARAH PENEMUAN, SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS, SERTA APLIKASI GRAPHENE
Makalah Ini Disusun Untuk
Memenuhi Tugas Mata Kuliah Nanomaterial
Disusun Oleh : KELOMPOK 3
Naufal Muthahhari 140310090015
Fajar Kurnia M 140310100022
Sagung Oka Aditia S 140310100077
Suci Winarsih 140310100082
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PADJADJARAN
JATINANGOR 2013
DAFTAR ISI
Daftar isi………...……... i
Abstrak………...…………... ii
Bab I Pendahuluan ………...…………... 1
Bab II Pembahasan II.1 Sejarah Penemuan Graphene ………..…2
II.2 Sifat dan Karakteristik Graphene………...………….7
II.3 Teknik Karakterisasi Graphene …...……..…9
II.4 Metode Sintesis Graphene …...………....…...18
II.5 Aplikasi Graphene …...………..…...24
Bab III Penutup ………....28
ABSTRAK
Graphene adalah material baru yang ditemukan tahun 2004 secara sederhana oleh Andre Geim dan Konstantin Novoselov yaitu menggunakan selotip yang direkatkan pada karbon sehingga didapat satu lapisan dengan orde nanometer dari karbon tersebut, itulah yang disebut dengan gaphene. Graphene memiliki berbagai sifat keunggulan diantaranya mobilitas pembawa muatannya tinggi, sifat transparannya yang sangat baik, konduktivitas listrik dan panas graphene paling tinggi dibanding material lainnya. Berbagai keunggulan yang dimiliki graphene inilah yang menyebabkan banyak dilakukan penelitian mengenai graphene. Sintesis graphene dapat dilakukan dengan berbagai cara. Tiap-tiap metode sintesis memiliki kekurangan dan kelebihan, tetapi pada dasarnya semua metode baik dan dapat diterapkan, tergantung diterapkan untuk apa hasil graphene yang terbentuk nanti. Graphene sangat berpotensi untuk diterapkan menjadi piranti elektronik dengan kecepatan proses yang sangat tinggi, sebagai layar fleksibel, dapat diaplikasikan untuk sel surya karena sifat transparannya, dan masih banyak aplikasi lainnya.
BAB I PENDAHULUAN
Graphene adalah susunan atom karbon dalam kerangka heksagonal serupa sarang lebah yang membentuk satu lembaran setipis satu atom. Penemuan graphene secara eksperimental terjadi tahun 2004 oleh Andre Geim dan Konstantin Novoselov. Setelah itu, banyak dilakukan penelitian baik untuk memodelkan berbagai sifat dari graphene maupun untuk membuat dan mengaplikasikannya.
Graphene memiliki keunggulan sifat dibanding material yang lain. Hasil-hasil penelitian para ilmuwan menyebutkan bahwa graphene memiliki konduktivitas listrik yang baik, konduktivitas panas yang baik, mobilitas pembawa muatan yang tinggi, sangat transparan karena setipis satu atom. Sifat lain dari graphene yaitu celah pita energi (band gap) yang bernilai nol. Keunggulan sifat yang dimiliki graphene inilah yang menyebabkan graphene sangat berpotensi diaplikasikan pada berbagai piranti elektronik termasuk sel surya, layar sentuh, laser, dan lain-lain.
Dalam makalah ini dibahas sejarah penemuan graphene, sifat dan karakteristiknya, teknik karakterisasi, metode sintesis graphene dilengkapi dengan kelebihan dan kekurangan tiap metode, serta aplikasi graphene di dalam kehidupan.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1 Sejarah Penemuan Graphene
Karbon memiliki tiga bentuk alotrop (bentuk alam yang ditemukan), yaitu arang, intan, grafit. Grafit umum dipakai dalam kehidupan sehari-hari contohnya dalam bentuk isi pensil. Intan sering dimanfaatkan sebagai perhiasan dan memiliki harga jual yang tinggi. Sedangkan arang, merupakan sisa dari pembakaran bahan organik. Ketiga materi ini tersusun dari karbon namun memiliki wujud yang berbeda, dikarenakan susunan atom-atom di dalamnya juga berbeda.
a) b)
c)
Gambar 1. Tiga bentu alotrop karbon: a) grafit, b) Intan, c) arang
Daripada intan, graphene ternyata lebih dekat hubungannya dengan grafit. Grafit sangat lunak sehingga bisa digunakan untuk menulis (isi
pensil) dan intan sangat keras sehingga bisa digunakan sebagai mata bor. Pada grafit, susunan yang berbentuk layer sangat lemah ketika mendapat tekanan, sehingga ketika menulis hubungan antar layernya terputus dan ada yang terbawa di kertas.
Hubungannya dengan graphene, graphene sendiri adalah layer yang menyusun susunan di grafit. Jadi, dari susunan yang sebegitu tebalnya di ambil satu lapisan sebagai graphene. Pada tahun 2004 kelompok riset dari Universitas Manchester yang dipimpin oleh Andre K. Geim dan Kostya Novoselov melakukan percobaan dengan menggunakan sejenis selotip
untuk mengambil satu lapisan itu dengan ketebalan hanya satu atom saja, yaitu atom karbon yang disusun menyamping pada kisi yang menyerupai sarang lebah dan diperkirakan sebagai bahan superkonduktor tertipis. Satu lapisan itu adalah dasar dari semua alotropi karbon.[1]
Gambar 2. Andre Geim(kiri) dan K. Novoselov(kanan)
Jadi, graphene atau kita sebut grafena
merupakan alotropkarbon yang berbentuk lembaran datar tipis di mana setiap atomkarbon memiliki hibridisasi ikatansp2 dan dikemas rapat dalam
bentuk kisi kristal seperti sarang lebah seperti dalam pembahasan sebelumnya sebagai jaring-jaring berskala atom yang terdiri
dari atomkarbon beserta ikatannya. Nama grafena berasal dari GRAPHITE + -ENE; grafit sendiri terdiri dari banyak lembaran grafena yang ditumpuk secara bersama.
Grafena yang sempurna secara eksklusif terdiri dari sel-sel yang berbentuk heksagonal; sel berbentuk segi lima dan segi tujuh merupakan sel yang cacat. Jika terdapat sel bersegi lima yang terisolasi , maka bidang akan mengkerut menjadi berbentuk kerucut; penyisipan 12 segi lima akan membentuk fulerena. Demikian pula, penyisipan sel segi tujuh yang terisolasi menyebabkan lembaran menjadi berbentuk pelana. Penambahan yang terkontrol dari segi lima dan segi tujuh memungkinkan terbentuknya berbagai bentuk komplek, misalnya carbon nanobud. Tabung nano karbon berdinding tunggal dapat dianggap sebagai silinder grafena; yang sebagian kecil memiliki tutup berbentuk setengah bola (yang melibatkan 6 segi lima) di setiap ujungnya.[2]
Gambar 6. Struktur Graphene
Lalu dari satu lapis itu. Apa saja yang bisa dilakukannya? atau apa keunggulannya?
Pertama. 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.
Kedua. 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.
Ketiga. Ia 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. [1]
Keunikan lainnya dari riset graphene itu sendiri adalah cepatnya perkembangan field itu sendiri. Geim dan Novoselov baru berhasil mengisolasi single layer graphene di sekitar tahun 2004. Tetapi sekarang, riset graphene sudah sampai pada tahapan device dan sudah ada perusahaan yang mulai akan menggunakannya di produk komersialnya, sebagai elemen dari touch screen. Sebuah pemicu aktivitas riset yang sangat cepat jika dilihat time-scale nya (kurang dari 6 tahun). Untuk impact di bidang fisika lainnya, graphene menjadi "test bed" teori-teori Fisika partikel yang awalnya diperkirakan hanya bisa dites di instrumen-instrumen mahal dan besar, atau bahkan hanya bisa berakhir di "laci". Untuk di bidang condensed matter physics sendiri, graphene menjadi ladang untuk eksplorasi "new physics" dan juga kandidat material yang sangat menjanjikan untuk berbagai macam aplikasi elektronik (pengganti silikon), bah bahkan untuk pengembangan energi terbarukan (solar cell dan hydrogen energy).[3]
Andre Geim menyebutnya material yang bisa mengubah kehidupan manusia, seperti halnya penemuan polimer (plastik) 100 tahun lalu. “Dia
memiliki semua potensi untuk mengubah kehidupan Anda seperti halnya yang telah dilakukan oleh plastik. Ini benar-benar sangat menarik,” kata ilmuwan yang kini mengajar di Universitas Manchester, Inggris, ini. Jadi, akankah graphene akan menggantikan peran yang telah diemban plastik di masa mendatang, mengingat ketipisan dan kekuatannya itu? Menurut Michael Strano, kimiawan dari Massachusetts Institute of Technology (MIT), mencoba untuk memprediksi penggunaan graphene bukan hal mudah. Akan tetapi, dia dan ilmuwan lain punya beberapa harapan. Dengan sifatnya yang transparan, graphene berpotensi menggantikan bahan film oksida logam berbasis indium yang selama ini dipakai untuk layar LCD televisi dan telepon seluler. Padahal, bahan indium semakin mahal karena jumlahnya terbatas. Ini bisa menjadi solusi baru teknologi layar sentuh atau panel surya.
“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.
Masih banyak lagi kelebihan dan pemanfaatan dari graphene ini seperti dari sisi optik dan lain sebagainya dan akan dibahas lebih detil di bab selanjutnya[4]
II.2 Sifat dan Karakteristik Graphene
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 kekuatanͦ 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. [1]
II.3 Teknik Karakterisasi Graphene
Karakterisasi film tipis graphene ataupun film tipis lainnya, dapat dilakukan dengan berbagai macam teknik. Menurut tujuan karakterisasinya, teknik karakterisasi film tipis dapat dibagi menjadi tiga:
1. Mikroskopi dan pencitraan: Scanning Tunneling Microscopy, Atomic Force Microscopy , Transmission Electron Microscopy, dan Scanning Electron Microscopy
2. Mengetahui komposisi elemen-elemen film tipis: Energy Dispersive X-Rays, Wavelength Dispersive X-rays, Mass Spectroscopy, Inductively, Coupled Plasma, Mass Spectroscopy, X-Ray Photoelectron Spectroscopy, dan Auger Electron Spectroscpy
3. Struktur kristal dan morfologi film tipis : Ray Diffraction, X-Ray Absorption Spectroscopi
Namun dalam makalah ini hanya akan dibahasa dua teknik untuk karakterisasi film tipis graphene yaitu, Atomic Force Microscopy (AFM)
dan X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Gaya Atom (AFM) merupakan salah satu pengembangan dari Scanning Probe Microscope. Scanning probe microscope, yang sering disingkat dengan nama SPM, adalah generasi baru mikroskop sesudah mikroskop elektron. SPM mempunyai kualitas yang menakjubkan, yaitu resolusi tinggi baik pada arah horisontal maupun
vertikal sehingga memungkinkan untuk melihat struktur sekecil atom. Resolusi adalah seberapa pendek jarak antara 2 titik berdekatan yang bisa dilihat oleh mikroskop. Itulah sebabnya, resolusi merupakan parameter penting yang menentukan kualitas mikroskop. Mikroskop elektron mempunyai resolusi yang tinggi secara horizontal, tetapi resolusinya rendah pada arah vertikal. Sedangkan pada dunia level atom, atom sendiri berdimensi tiga (koordinat X, Y dan Z), sehingga untuk observasi pada level atom diperlukan resolusi tinggi baik pada arah horizontal maupun vertikal. Disinilah letak kelebihan SPM dibanding mikroskop elektron.
AFM memiliki komponen-komponen pokok yang sangat menentukan hasil kerjanya, yaitu Cantilever, Tip, Surface, Laser, dan
Multi-segment Photodetector. Secara skematis AFM dapat digambarkan seperti pada gambar di bawah ini
Adapun cara kerja dari AFM adalah sebagai berikut:
1. Selama memindai , tip 'jarum' dari cantilever (sensor) maju mundur sepanjang permukaan sample
2. Gerak scan arah x,y, dan z dikontrol oleh tube scanner piezoelektrik 3. Untuk mendeteksi setiap defleksi dari jarum, digunakan laser yang dipantulkan ke ujung tip, selanjutnya malalui cermin laser menuju fotodiode
4. Piezoscanner dan photodiode terhubung melalui loop feedback, kemudian hasil nya di tampilkan pada layar komputer yang telah tersedia
AFM memiliki tiga macam mode dalam proses pemindaiannya (scanning) yang mana masing-masing mode ini memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Ketiga mode tersebut merupakan Contact Mode, Non-Contact Mode, dan Tapping Mode.
Contact mode merupakan mode ketika tip dari afm selama melakukan pemindaian menempel/mengenai permukaan dari sampel. Mode ini memberikan hasil dengan resolusi yang sangat tinggi akan tetapi dapat merusak permukaan dari sampel. Non- Contact Mode merupakan mode dimana tip dari afm selama melakukan pemindaian tidak menempel/mengenai permukaan sampel namun memiliki jarak < 10 Angstrom. Mode ini memanfaatkan gaya Van der waals akibat interaksi atom yang berada pada tip dan juga pada sampel. Mode ini memberikan resolusi yang rendah namun tidak akan membahayakan permukaan dari sampel. Tapping mode merupakan mode gabungan dari Contact dan non-Contact mode. Selama pemindaian, tip dari afm diketuk-ketukan terhadap sampel menghasilkan resolusi yang cukup baik dan meminimalisir kerusakan pada sampel. Ketiga mode tersebut memiliki hubungan yang dapat dijelaskan melalui kurva antara gaya dan jarak di bawah ini
Nanoindentation AFM (tambahan)
Nanoindentation merupakan suatu uji tingkat kekerasan yang diberikan kepada benda pada volum kecil untuk mengetahui sifat mekaniknya. Pada percobaannya tip AFM yang digunakan biasanya berbentuk piramid.
Parameter yang diukur: 1. Besar beban / gaya 2. Kedalaman penetrasi
Dari kedua besaran tersebut dapat dicari tahu beberapa sifat mekanik ( Modulus Young, Hardness (Kekerasan)) lewat kurva Load-Displacement
Dalam menghitung tingkat kekerasan suatu surface biasanya digunakan tip tertentu. Dalam makalah ini tip yang digunakan adalah Berkovich tip (α = 15°, β = 25°, ϒ = 17.5°)
Tingkat kekerasan dapat dicari tahu melalui persamaan di bawah ini
Dimana Fmax merupakan beban maksimum yang diberikan AFM terhadap sampel dapat diketahui melalui pemantulan maksimum dari laser terhadap cantilever yang dibaca oleh detektor. Sedangan Ac merupakan luas area proyeksi dari indenter pada kedalaman hc. Ac didapatkan melalui persamaan
Dengan
Menghitung Modulus Young
Modulus Young didapatkan melalui persamaan di bawah ini
keterangan:
Er = Reduced Young Modulus
S = Stiffness
� = Konstanta Geometris orde 1
Vs = Rasio Poisson sampel (0.5 untuk kebanyakan bahan)
Vi = Rasio Poisson Indenter (0.07)
Er = Young Modulus
Ei = Indenter Modulus (1140 GPa)
S merupakan gradien yang didapatkan dari kurva ketika proses unloading seperti terlihat dalam kurva Load-Displacement di bawah ini
X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)
XPS dikenal juga sebagai ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) dan dikembangkan sejak tahun 1960. Teknik ini berfungsi untuk mengetahui kemurnian bahan melalui pencarian energi ikat atom-atom yang ada pada sampel. Banyak digunakan karena simpel penggunaannya dan mudah dalam menganalisa data. XPS secara umum bekerja dengan menyinari atom dari suatu permukaan pada material padat dengan foton sinar-X, menyebabkan pelemparan elektron-elektron. Skema dari XPS dapat dilihat pada gambar di bawah ini
Penjelasan skema:
1. Suatu sinar-x monoenergetik ditembakan ke permukaan sampel dan memancarkan fotoelektron dari permukaan sampel tersebut. Elektron-elektron akan terhambur dan ditangkap oleh electron analyzer
2. Sinar X-Rays yang digunakan memiliki 2 energi: Al Ka (1486.6eV)
Mg Ka (1253.6 eV)
3. Spektrum XPS mengandung informasi hanya pada daerah 10 - 100 Ǻ dari atas permukaan sampel
4. Pada sistem digunakan Ultrahigh vacuum yang bertujuan untuk menghilangkan kontamisasi atom-atom luar
5. Spektrum diplot oleh komputer melalui penganalisa sinyal
6. Energi ikat dapat ditentukan melalui posisi puncak-puncak pada grafik. Puncak-puncak tersebut merepresentasikan elemen atom tertentu
Perbandingan teknik spectroskopi (tambahan, pertanyaan Surya Fadli Winda)
• Electron Spectroscopy
EDX dan WDX : Hanya untuk melihat struktur elektronik molekul dan dinamikanya pada molekul, EDX hanya sampai pada orde mikro meter
• Mass Spectrometry
SIMS, ICP-MS : Berfungsi untuk identifikasi massa ion molekuler dan ion fragmen untuk kemudian dicari tahu rumus molekul secara keseluruhan dari sampel
• Photoelectron Spectroscopy
XPS, Auger : Berfungsi untuk identifikasi komposisi elemen yang terkandung pada bahan berdasarkan energi ikat atom-atom
II.4 Metode Sintesis Graphene
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. (Jawaban pertanyaan dari Sena Harimurty).
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.
b. 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.
c. 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.
d. 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. (Jawaban pertanyan dari Elvina Trivida)
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.
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.
e. 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. (Jawaban Pertanyaan dari Sarah Bella S.)
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.
II.5 Aplikasi Graphene
Aplikasi dari Graphene terbagi menjadi dua yaitu aplikasi yang telah ada sampai saat ini dan aplikasi untuk masa yang akan mendatang. Sejak graphene dapat dibuat, berbagai kajian teoritis maupun eksperimen telah banyak dilakukan oleh ilmuan-ilmuan di seluruh dunia, sehingga pada tahun 2010 kedua ilmuan tersebut memperoleh Nobel Prize di bidang Fisika. Graphene menjadi material yang menarik untuk dikaji karena memiliki berbagai sifat yang unik seperti sifat mekanik, optik, thermal dan listrik.
Graphene dapat diukir ke sirkuit elektronik kecil dengan transistor individu yang memiliki ukuran tidak lebih besar daripada molekul. "Semakin kecil ukuran transistor lebih baik performanya "Seperti Kata Peneliti Manchester. dua tahun lalu Manchester memecahkan rekor ukuran transistor menggunakan graphene. Transistor graphene yang memiliki kinerja tertinggi telah dibuat pada graphene yang terbentuk dari gumpalan dipipihkan dari grafit dan menempel pada substrat. Transistor dibuat pada graphene terbentuk pada permukaan substrat yang sejauh ini berkinerja buruk dibandingkan dengan mereka graphene yang dipipihkan. Di sini kita berbicara tentang dua perusahaan yang membuat transistor graphene yang mencengangkan dan beberapa khusus sifat transistor graphene.
Aplikasi graphene menjadi transistor efek medan telah dilakukan oleh berbagai peneliti misalnya dalam [31]. Di sini, graphene berlapis beberapa ditumbuhkan dengan metode sublimasiSiC pada vakum tingkat tinggi, lalu elektroda Au dilapiskan dengan evaporasi. Untuk lapisan dielektrik gate digunakan polystyrene. Cara ini dipilih karena substrat SiC yang bersifat isolator dapat langsung dipakai sebagai substrat transistor. Telah juga dilakukan percobaan pembuatan banyak transistor graphene sekaligus dalam satu chip, misalnya pada [32]. Citra AFM satu transistor yang dihasilkan ditampilkan dalam Gambar 10. Kualitas transistor yang dihasilkan diukur melalui mobilitas elektron yang dimiliki, yang pada hasil ini mencapai 5000 cm2/Vs.
Untuk transistor yang ditumbuhkan dari SiC, nilainya masih di bawah transistor graphene dari eksfoliasi. Walaupun demikian, graphene eksfoliasi sulit dibuat dengan massal [1]
ii. Baterai Super Graphene
Kapasitor elektrokimia yang dikenal dengan sebutan kapasitor super atau kapasitor ultra sangat berbeda dengan kapasitor listrik biasa yang banyak terpasang pada berbagai peralatan elektronik, seperti TV dan komputer. Dalam bentuk yang lebih umum, kapasitor dapat berbentuk sebuah baterai. Nah, kapasitor super ini bisa menyimpan listrik dalam jumlah jauh lebih besar dibanding kapasitor biasa atau baterai.
Potensi kapasitor super ini telah menarik perhatian banyak ilmuwan karena mampu diisi ulang (charge) dan dikosongkan (discharge) kapasitas listriknya lebih cepat dibanding baterai biasa. Namun, ada satu kekurangan yang membuatnya tidak praktis. Kapasitor super masih mempunyai kerapatan energi yang rendah, masih kalah dari kerapatan energi baterai. Untuk menyimpan energi listrik dalam jumlah yang sama, sebuah kapasitor super harus berukuran jauh lebih besar dibanding baterai biasa.
“Kami meyakini bahwa penemuan ini akan membuka jalan bagi banyak aplikasi, misalnya, perangkat daya yang fleksibel untuk layar komputer yang bisa digulung atau sistem penyimpan energi listrik yang digabungkan dengan sel surya fleksibel”
Karena itu, bila ditemukan kapasitor super yang bisa menggabungkan kemampuan penyimpanan daya yang mumpuni dan kerapatan energi setara baterai, bakal menjadi terobosan
penting dalam teknologi simpan-menyimpan daya untuk peralatan elektronik portabel. Salah satunya untuk aplikasi baterai mobil listrik yang saat ini harus diisi ulang dalam waktu yang cukup lama, sekitar delapan jam untuk mencapai kapasitas penuh. Bila baterai mobil bisa diisi ulang secara cepat, bakal membuat mobil listrik bertenaga baterai semakin praktis.
Baterai Super APLIKASI TEKNOLOGI GRAPHENE
Kunci membuat kapasitor elektrokimia dengan kemampuan super adalah membuat elektroda yang tak hanya mampu memberikan sifat konduktivitas (daya hantar listrik)yang tinggi, tapi juga mampu memberikan area penyimpanan energi yang lebih luas dibandingkan kapasitor elektrokimia yang menggunakan elektroda karbon. Para peneliti dari University of California in Los Angeles (UCLA) mencoba membuat elektroda semacam ini dengan
menggunakan bahan baku lapisan karbon grafit yang setipis atom, dikenal sebagai graphene. Bahan yang sedang menjadi primadona baru ini mempunyai sifat mekanis dan elektris yang sempurna dan mampu memberikan ruang permukaan yang lebar dengan ketebalan minimal [4]
BAB III PENUTUP
Graphene ditemukan tahun 2004 oleh Andre Geim dan Konstantin Novoselov. Graphene memiliki keunggulan sifat baik sifat elektronik, sifat optik, dan kekuatannya sehingga sangat berpotensi diterapkan pada berbagai macam piranti elektronik seperti transisitor efek medan dan superkapasitor. Selain itu, graphene dapat diaplikasikan untuk solar cell, laser, LED, OLED, dan sebagainya.
Graphene dapat dibuat dengan berbagai cara yaitu pembelahan grafit menjadi lapisan-lapisan graphene (top down) yaitu metode pengelupasan dan penumbuhan graphene secara langsung dari atom-atom karbon (bottom up) yaitu metode dispersi dalam cairan, reduksi Graphene Oksida, penumbuhan dengan CVD logam, penumbuhan dengan Silikon Karbida, dan Unzipping Multi-walled Carnon Nanotubes. Masing-masing metode memiliki kelebihan dan kekurangan
dimana setiap metode dapat digunakan tergantung dari aplikasi yang diterapkan pada hasil graphene yang terbentuk.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Widiatmoko, Eko. GRAPHENE : SIFAT, FABRIKASI, DAN APLIKASINYA. Bandung : Jurusan Fisika, Institut Teknologi Bandung
[2] Raza, Hassan. 2012. Grapehen Nanoelectronics. New York : Springer
[3] http://amy-fisika.blogspot.com/2012/02/grafen-sang-material-baru.html (28- 04 - 2013, 15 : 23)
