Post on 27-Oct-2015
description
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
Dwika Andjani 140310100083
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
Daftar Pustaka……………………………………………………….......…….29
i
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.
Keywords : Grapehene, keunggulan, sintesis, piranti elektronik
i
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 IISEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE1
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.
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE2
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 alotrop karbon yang berbentuk lembaran datar tipis di mana
setiap atom karbon memiliki hibridisasi ikatan sp2 dan dikemas rapat dalam
bentuk kisi kristal seperti sarang lebah seperti dalam pembahasan
sebelumnya sebagai jaring-jaring berskala atom yang terdiri
dari atom karbon 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 SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE3
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
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE4
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
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE5
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
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE6
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.
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE7
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 N 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. [1]
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE8
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 : X-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
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE9
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
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE10
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
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE11
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
Menghitung Kekerasan (Hardness)
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE12
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
Konstanta A, B, C, dan D dapat dicari
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE13
Menghitung Modulus Young
Modulus Young didapatkan melalui persamaan di bawah ini
keterangan:
Er = Reduced Young Modulus
S = Stiffness
𝛽 = 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
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE14
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
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE15
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
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE16
http://www.chem.queensu.ca/people/faculty/horton/research.html
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
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE17
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
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE18
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
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE19
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.
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE20
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
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE21
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.
ii) 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.
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE22
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.
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE23
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.
i. Transistor Graphene
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
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE24
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.
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE25
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.
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE26
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]
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE27
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.
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE28
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)
[4] http://distrokaos.com/2012/11/29/baterai-super-aplikasi-teknologi-graphene/
SEJARAH , SIFAT DAN KARAKTERISTIK, TEKNIK KARAKTERISASI, METODE SINTESIS,
SERTA APLIKASI GRAPHENE29