MAKALAH GRAPHENE (1) (2)

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,


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,


http://id.wikipedia.org/wiki/Sel

http://id.wikipedia.org/wiki/Sel

http://id.wikipedia.org/wiki/Grafit

http://id.wikipedia.org/wiki/Alkena

http://id.wikipedia.org/wiki/Grafit

http://id.wikipedia.org/wiki/Karbon

http://id.wikipedia.org/wiki/Atom


http://id.wikipedia.org/wiki/Lebah

http://id.wikipedia.org/wiki/Ikatan_kimia




http://id.wikipedia.org/wiki/Alotrop

http://id.wikipedia.org/wiki/Semikonduktor

http://id.wikipedia.org/wiki/Lebah

http://id.wikipedia.org/wiki/Kostya_Novoselov

http://id.wikipedia.org/wiki/Kostya_Novoselov

http://id.wikipedia.org/wiki/Andre_K._Geim

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



http://id.wikipedia.org/wiki/Segi_lima

http://id.wikipedia.org/wiki/Silinder

http://id.wikipedia.org/wiki/Kerucut

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 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]



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



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

Menghitung Kekerasan (Hardness)



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



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



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



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



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.

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.



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.

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



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.



http://distrokaos.com/wp-content/uploads/2012/11/Baterai-Super-APLIKASI-TEKNOLOGI-GRAPHENE.jpg%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5

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)

[4] http://distrokaos.com/2012/11/29/baterai-super-aplikasi-teknologi-graphene/



http://distrokaos.com/2012/11/29/baterai-super-aplikasi-teknologi-graphene/

http://amy-fisika.blogspot.com/2012/02/grafen-sang-material-baru.html%20(28

Documents

MAKALAH GRAPHENE (1) (2)