Simulasi Penumbuhan Katalis Nanokatalis Nikel Untuk Pembentukan Carbon Nanotube

8/3/2019 Simulasi Penumbuhan Katalis Nanokatalis Nikel Untuk Pembentukan Carbon Nanotube

1/13

RESUME KOMPUTASI MATERIAL DAN DEVAIS ELEKTRONIK

SIMULASI PENUMBUHAN NANOKATALIS NIKEL UNTUK PEMBENTUKAN

CARBON NANOTUBE MENGGUNAKAN METODA SPUTTERING

Oleh :

ELFI YULIZA

20210302

DOSEN: Prof. Toto Winata

Dr. Ferry Iskandar

Departemen Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Teknologi Bandung

2011


2/13

Simulasi Penumbuhan Nanokatalis Nikel untuk Pembentukan Carbon Nanotube (CNT)

Menggunakan Metoda Sputtering

Resume persentasi kelompok 1 (Elfi Yuliza, Maria Ulfa dan Shanti Merisa) mata kuliah Komputasi

Material dan Devais Elektronik.

A. Pendahuluan

Penemuan Sumio Iijima pada tahun 1991 di laboratorium NEC Jepang telah memicu

perkembangan teknologi ukuran nano khususnya CNT. Karbon nanotube (CNT) merupakan

material ukuran nano yang memiliki sifat yang unik dan diramalkan akan menjadi teknologi

masa depan. Penelitian mengenai karbon nanotube berkembang sangat pesat.Banyaknya

penelitian tentang CNT menunjukan bahwa material ini sangat menjanjikan dan memegang

peranan penting dalam kemajuan teknologi.

Keunikan sifat karbon nanotube bergantung pada chiralitas. Chiralitas CNT dinyatakan dalam

orientasi penggulungan graphene serta diameter CNT. Namun penumbuhan CNT dengan

diameter tertentu masih mengalami kendala. Oleh karena itu, para ahli mengusulkan untuk

menggunakan nanopartikel katalis untuk pemanduan penumbuhan CNT. Disamping memandu,

katalis ini juga dapat digunakan untuk mengontrol diameter CNT.

Untuk keperluan tertentu, kita memerlukan ukuran dan karakteristik tertentu dari CNT.

Sehingga apabila dilakukan eksperimen secara langsung akan memakan biaya yang mahal

sehingga di perlukan suatu simulasi. Dari simulasi kita akan memperoleh variable yang harus

digunakan untuk menghasilkan CNT yang kita inginkan.

B. VariabelVariabel yang akan Disimulasikan

Disebabkan keunikan sifat CNT dipengaruhi oleh diamternya dan diameter CNT ditentukan

oleh diameter katalisnya maka pada simulasi ini ada beberapa variable yang ingin diketahui,

yaitu:

1. Diameter nanopartikel terhadap waktu deposisi2. Diameter nanopartikel terhadap suhu deposisi3. Diameter nanopartikel terhadap waktu annealing4. Diameter nanopartikel terhadap suhu annealing


3/13

C. Carbon Nanotube (CNT)

1. Sejarah Carbon Nanotube dan alotrof karbon

Hingga pertengahan tahun 1980 padatan karbon murni di temukan dalam dua bentuk yakni

intan dan grafit. Intan memiliki kekuatan yang besar, keras, bersifat transparan, mempunyai

konduktivitas thermal yang baik serta mempunyai konduktivitas yang rendah. Sedangkangrafit memiliki kekuatan yang kecil (lunak), bewarna hitam, dan tersusun heksagonal datar.

Kedua bentuk atom karbon ini disebut dengan alotrop.

Pada tahun 1985 Richard Smalley dan Robert Curl dari Rice University dan Harry Kroto

dari University of Sussex menguapkan Sample dari grafit dengan laser dan menemukan

struktur karbon murni yang tersusun atas 60 atom karbon (C60). Struktur (C60) diberi nama

buckminsterfullerene atau disebut juga bucky ball. Kemudian ditemukan molekul yang

terdiri atas C74, C82, C70, C36. Penemuan fullerene inilah yang memicu penemuan CNT. Saat

Sumio Iijima melakukan penelitian tentang fullerene dia memprediksikan akan memperoleh

temuan seperti bawang bombai, ternyata temuannya berbentuk seperti tabung. Selanjutnya

penemuan dari Sumio ini dikenal dengan nama carbon nanotube (CNT).

2. Struktur dan Geometri CNT

Karbon memiliki beberapa allotrop yaitu graphene, grafit, intan, fullerene dan karbon

nanotube.

Gambar 1. (a) Diamond, (b) graphite, (c) Graphene, (d) amourphous carbon, (e) fullerene,

(f) CNT single wall


4/13

CNT memiliki bentuk seperti tabung dengan penutup diatas dan dibawah. CNT sendiri

memiliki dua tipe secara umum yakni Single wall carbon nanotube (SWCNT) yang hanya

terdiri dari satu lapisan dan multi wall carbon nanotube (MWCNT) yang terdiri dari lapisan-

lapisan graphene.

Gambar 2. Struktur CNT dengan Variasi Lapisan

keunikan dari sifat CNT dipengaruhi oleh diameter dan Chiralitasnya. Chiralitas ini didapat

dari teknik penggulungan yang berbeda utuk memperoleh CNT. Teknik penggulungan yang

berbeda untuk memperoleh CNT dari lembaran graphene yaitu:

a

Gambar 3. Graphene Yang Digulung Dengan Teknik Yang Berbeda

dimana dapat dinotasikan dalam vektor chiral (n,m). saat n=m dan n-m yang merupakan

kelipatan 3 memiliki sifat konduktor dan selain itu memiliki sifat semikonduktor. Jadi

Armchair bersifat sebagai konduktor dan zigzag dan chiral dapat bersifat sebagai konduktor

ataupun isolator.


5/13

3. Sifatsifat CNT

a. Sifat listrik

CNT terdiri dari kombinasi dari m dan n yang dinyatakan dalam vektor chiral. Nilai m

dan n diperoleh dari teknik penggulungan graphene. CNT dapat bersifat sebagai

konduktor, isolator maupun semikonduktor. Berbeda cara penggulungan akan diperolehsifat listrik yang berbeda pula untuk tipa CNT. Karena CNT memiliki tiga sifat tersebut,

maka ada kemungkinan untuk membuat heterostruktur berbasis CNT. Contoh CNT

(10,10) bersifat konduktor, CNT (3,0) bersifat konduktor dan CNT (5,0) bersifat

semikonduktor. CNT bersifat logam jika m=n atau m-n merupakan kelipatan 3. Selain

itu bersifat sebagai semikonduktor.

b. Sifat Mekanik

CNT memiliki ikatan yang kuat sehingga memiliki modulus elastik yang besar

dibandingkan dengan material yang pernah ada. Dengan sifat ini diharapkan

diaplikasikan untuk fiber yang sangat kuat. CNT memilki modulus elastik yang besar

(~45 juta Pa), sebagai perbandingan baja akan patah pada tekanan 2 juta Pa. tekanan

pada ujung CNT menyebabkan terjadinya tekukan, setelah gaya dihilangkan CNT akan

kembali ke keadaan semula. Untuk SWCNT modulus young sepenuhnya begantung

pada jari-jari sedangkan untuk MWCNT tidak semuanya bergantung pada jari-jari.

c. Sifat Termal

CNT merupakan konduktor panas yang baik disbanding material yang ada. Diperkirakan

CNT dapat mentransmisikan daya lebih besar dari 6000 WK/m pada temperature ruang.

Bersifat stabil hingga temperatur 2.800oC dalam ruang vakum dan 750

oC pada keadaan

ruang.

d. Sifat Optik

Secara teoritik diprediksi bahwa sifat optik CNT makin hilang jika ukuran bertambah.

Karena keunikan sifat optiknya yang dipengaruhi ukuran, CNT dapat digunakan pada

berbagai piranti optik.


6/13

e. Sifat Kimia

Sifat kimia CNT dipengaruhi oleh diameternya. Makin kecil akan memiliki sifat reaktif

yang semakin besar , luas permukaan spesifiknya makin besar.

f. Pengaruh Cacat terhadap Sifat CNTCacat pada CNT akan mempengaruhi sifat dari CNT itu sendiri. CNT yang awalnya

bersifat konduktor dapat berubah menjadi bersifat semikonduktor. Cacat juga

berpengaruh pada sifat termal CNT dalam bentuk pengurangan konduktivitas termalnya.

4. Sintesis CNT

Sintesis CNT dapat dilakukan dengan berbagai cara yaitu:

a. Arc Discharge

Merupakan metoda pertama kali yang digunakan untuk membentuk CNT. Selama

proses ini, karbon dimasukkan ke dalam elektroda negatif, kemudian terjadi sublimasi

karena suhu yang tinggi menyebabkan pemecahan. CNT yang ditumbuhkan memiliki

diameter yang berbeda.

b. Laser Ablation

Metoda ini menggunakan laser untuk menguapkan target grafit. Pada metoda ini,

dihasilkan diameter CNT yang bergantung pada suhu reaksi.

c. Chemical Vapour Deposition

CVD merupakan salah satu metoda penumbuhan CNT dengan meletakkan suatu sumber

karbon dalam fasa gas dan menggunakan sumber energi seperti plasma atau kumparan

yang dipanaskan untuk mentransfer energi ke molekul gas karbon. Untuk penumbuhan

CNT terjadi dua tahap, yaitu penumbuhan katalis dan penumbuhan CNTnya. Katalis

berfungsi untuk memandu penumbuhan CNT.

Secara umum, untuk melakukan penumbuhan CNT, dilakukan 2 kali penumbuhan.

Penumbuhan pertama adalah penumbuhan katalis yang akan digunakan untuk membantu

penumbuhan CNT. Katalis yang telah dihasilkan ini yang akan digunakan untuk

penumbuhan CNT.


7/13

5. Karakterisasi CNT

Riset nanomaterial, khususnya bidang eksperimen tidak terlepas dari kegiatan karakterisasi

atau pengukuran. Dengan karakterisasi kita bisa yakin bahwa material yag disentesis sudah

memenuhi kriteria nanostruktur yaitu salah satu dimensinya berukuran nanometer.

Karakterisasi juga memberikan informasi tentang sifat-sifat fisis maupun kimiawinanomaterial tersebut. Ada beberapa cara untuk mengkarakterisasi material yaitu SEM,

TEM,Spektroskopi Raman. Contoh hasil karakterisasi:

Gambar 4. Contoh Hasil SEM untuk Katalis Nikel

6. Potensi Aplikasi

Dengan keunikan sifat termal, elektrik, mekanik dan strukturalnya yang khas, CNT

memberikan sejumlah besar potensi aplikasi dalam berbagai bidang seperti untuk sensor,

superkapasitor, baterai litium, konduktor transparan, bahan dan serat super kuat, sel surya,

pakaian tempur, sirkuit komputer dan sejumlah bidang lainnya yang terus berkembang.

D. Katalis

Kata katalis pertama kali dipernalkan pada tahun 1836 oleh Berzelius yang dipergunakan untuk

mengklasifikasi tipe tertentu dari reaksi kimia, dimana peningkatan reaksinya dipengaruhi oleh

substansi tambahan yang bukan merupakan bagian dari produksi reaksi tersebut. Secara umum,

katalis terbagi menjadi 2:


8/13

1. Katalis Homogen Merupakan katalis yang mempunyai fasa yang sama antara reaktan dan produksi Proses katalis terjadi melalui perubahan senyawa menjadi senyawa yang kompleks

dan terjadi pengubahan susunan molekul dan ligan katalis.

Operasi reaksi katalis fasa cair mempunyai keterbatasan pada suhu dan tekanan,sehingga peralatan reaktor menjadi komleks.

Katalis setelah reaksi juga harus dipisahkan dari produk, sehingga menambahkesulitan lagi.

2. Katalis Heterogen Katalis dan reaktan berbeda fasenya. Laju reaksi dikendalikan oleh fenomena-fenomena adsorpsi, absorpsi dan desorpsi. System katalis heterogen adalah yang paling mudah digunakan di aplikasi industry

karena pellet katalis yang mudah dibuat, katalis mudah diletakkan di dalam tabung

reaktor dimana reaktan mengalir, dan konstruksi sederhana.

Material yang dapat digunakan untuk katalis yaitu:

Metal: Ni, Pb, Pt, Co Oxides Sulfide Acids Base

Dalam usaha untuk penumbuhan carbon nanotubes dengan diameter dengan ukuran nano,

katalis yang biasa digunakan adalah material logam. Sebelum dilakukan penumbuhan CNT,

maka diperlukan terlebih dahulu penumbuhan material logam dalam dimensi nano. Salah satu

kandidat logam tersebut adalah nikel.

Nikel merupakan golongan logam transisi yang memiliki konfigurasi elektron pada orbital d.

logam jenis ini memiliki daya absorbsi yang sangat kuat. Hal ini berhubungan dengan adanya

karakteristik orbital dyang memiliki pasangan elektron belum penuh sehingga dapat menjadi

komponen aktif sebagai katalis. Peranan komponen aktif logam nikel pada permukaan katalis

adalah untuk mengadopsi reaktan dalam hal ini adalah karbon, yang telah terdifusi pada


9/13

permukaan katalis sehingga dapat mempercepat reaksi antara reaktan dan membantu

penumbuhan karbon nanotubes.

Gambar 5 . Logam Transisi yang Digunakan Sebagai Katalis

Penumbuhan nanokatalis disini lebih ke fungsi sebagai pemandu penumbuhan. Pemanduan

penumbuhan dapat ditunjukan pada gambar berikut:

Gambar 6: Pemanduan Penumbuhan CNT oleh Katalis.

Pada gambar yang berfungsi sebagai katalis adalah yang bewarna hitam dan atom-atom karbon

yang akan bersatu menjadi carbon nanotube adalah yang bewarna biru. Semakin besar diameter

katalis maka akan berpengaruh pada ukuran diameter CNT.

E. Efek Ukuran nanopartikel Nikel pada Reaktifitas Kimia

Jika ukuran partikel diperkecil maka fraksi atom yang berada dipermukaan akan semakin besar.

Jika ukuran partikel diperkecil kedalam skala nanometer, reaktivitas material tersebut berubah

secara drastik. Jumlah atom yang berikatan pada permukaan jika ukuran partikel diperkecil

akan semakin sedikit pula.


10/13

F. Metoda Penumbuhan Film Tipis dengan metoda Sputtering

1. Deposisi film tipis

Untuk melakukan penumbuhan film tipis, ada beberapa metoda yang dapat dilakukan yakni:

a. Metoda Physical Vapour deposition (PVD)PVD merupakan metoda penumbuhan film tipis yang melibatkan proses fisika untukmenghasilkan deposisi uap pada substrat.

Contohnya:

SputteringDeposisi terjadi karena ada tumbukan antar atom gas dan yang memborbardir target.

Daya masukan untuk sputtering ada dua tipe yakni daya DC untuk target logam dan

RF untuk target nonkonduktif.

EvaporasiDilakukan dengan menguapkan target dengan suhu tertentu.

b. Metoda Chemical Vapour Deposition (CVD)Merupakan deposisi uap yang melibatkan reaksi kimia. Beberapa contoh dar CVD adalah

MOCVD, PECVD dan lain-lain.

2. MetodeSputteringSputtering adalah fenomena dimana transfer momentum terjadi dari partikel berenergi

(biasanya ion Ar+

) terhadap material target yang menyebabkan lepasnya atom-atom atau

molekul-molekul pada permukaan target tersebut dan hasil tumbukan ini dideposisikan pada

permukaan substrat.

Gambar 7. Skema Sederhana Metoda Sputtering


11/13

Beberapa teknik sputtering yang umum digunakan adalah dc diode, rf diode, triode,

magneton dan unbalanced magnetron sputtering. Teknik-teknik ini dimaksudkan agar gas

inert yang akan menumbuk target lebih tepat sasaran.

a. Mekanisme sistem sputteringProses deposisi dengan sistem sputtering merupakan lepasnya materi dari suatu

permukaan akibat tumbukan oleh partikel berenergi tinggi dan transfer momentum.

Terjadi dalam ruang vakum dengan target dan substrat diletakkan berhadapan. Proses ini

berlangsung pada tekanan 5x10-4

- 5x10-7

torr. Plasma terbentuk dari terionnya gas

argon karena tegangan tinggi yang diberikaan di ruang antar 2 elektroda.

Substrat diletakkan di bagian anode dan target dibagian katode. Antara katoda dan

anoda dihubungkan dengan sumber tegangan tinggi sehingga gas argon yang masuk

sebagai gas inert mengalami ionisasi menjadi elektron-elektron dan ion Ar+. Ion Ar

+

akan menumbuk target dengan energi yang tinggi menyebabkan lepasnya atom-atom

dari target. Atom-atom target yang lepas ini akan bergerak ke segala arah. Karena

substrat terletak di anoda dan target pada katoda maka atom-atom hasil tumbukan akan

terdeposisi pada substrat. sedikit pemanasan yang dilakukan pada substrat akan

menghasilkan film tipis yang uniform.

Pada target dapat juga dipasang magnet yang bertujuan untuk menarik lebih banyak

atom Ar+

sehingga tumbukan terhadap target akan lebih banyak terjadi dan lepasnya

atom-atom dari target akan semakin banyak pula. Pada reaktor juga dipasang selang

yang berfungsi untuk membuang gas sisa dari reaksi.

b. Parameter proses deposisi sputtering

Aspek-aspek yang mempengaruhi proses deposisi adalah mechanical stress, adhesi film

terhadap substrat dan temeperatur substrat. Factor-faktor yang mempengaruhi laju

deposisi, antara lain:

Arus dan voltase, karena jumlah partikel yang menumbuk katode proporsionaldengan rapat arus.

Tekanan dan jarak antara target dan substrat. Bila tekanan dinaikan maka kepadatanion dan rapat arus juga meningkat.


12/13

Temperature substrat yang meningkat dapat menurunkan laju deposisi karena proseskondensasi semakin lambat.

Gas-gas impuritas.

G. AnnealingSetelah film tipis terbentuk dari proses sputtering, tahap selanjutnya adalah mengubah bentuk

film tipis menjadi berbentuk butiran katalis. Pada tahap awal annealing, film tipis mengalami

perlakuan panas guna merubah bentuk layer atau lapisan menjadi bentuk butiran katalis atau

island. Pada tahap inilah terjadi nukleasi Kristal yang akan dihubungkan dengan energi bebas

gibbs. Pada annealing terjadi rekristalinasi yaitu proses penusunan atom-atom kedalam Kristal

baru.

Beberapa proses yang terjadi pada saat annealing seperti nukleasi. Nukleasi adalah tahapan

pembentukan inti dari atom yang baru terbentuk pada saat mencapai kondisi supersaturasi.

Perlakuan yang diberikan selama proses nukleasi adalah temperature dan waktu annealing yang

nantinya sangat berpengaruh pada ukuran butir dan jarak antar butir katalis yang terbentuk.

Temperature yang digunakan untuk annealing harus lebih besar dari pada temperature kritis.

Setelah terjadi nukleasi, akan terjadi pertumbuhan inti dan pembentukan islandyang lebih besar

dari penggabungan island kecil. Pada proses annealing, suhu dan temperature harus

diperhatikan karena ukuran dari butiran yang dihasilkan, bergantung pada parameter ini.

Jadi dapat disimpulkan bahwa proses annealing adalah suatu perlakuan dimana dilakukan

pemanasan lapisan tipis sehingga mengubah karakteristik material. Proses annealing ini

dilakukan untuk membentukIslandsehingga ukuran dari nanopartikel dapat terbentuk.

Gambar 8. film tipis sebelum dan sesudah di Annealing.

Pada annealing yang berpengaruh adalah suhu annealing dan waktu annealing.


13/13

H. Daftar Pustaka

A. Mikrajuddin (2009). Pengantar Nanosains. Bandung: penerbit ITB

A. Latununuwe, A. Setiawan, P. Lubis, Yulkifli, T. Winata, dan Sukirno. (2008) Penumbuhan Nano-katalis Co-Fe dengan Metoda Sputtering. Seminar Nasional Kecenderungan BaruFisika dan pendidikannya.

P. Lubis, A. Latununuwe, T. Winata, J. Nano Saintek, edisi khusus 2009.

S. Iijima, Nature 354, 56 (1991).

Y. Sari, (2002). Studi Pembuatan Film Tipis TiN pada Baja AISI-D2 dengan Reactive DC

Diode Unbalanced Magnetron Sputtering pada Tekanan Ruang Vakum Tinggi. .Depok: UI

J. Yunas, L. Muliani, proc. Nas X Kimia dalam industry dan lingkungan. Yogyakarta 2001.

http://www.batan.go.id

http://tekim.undip.ac.id/staf/istadi.Jenis-Jenis Katalis
http://www.batan.go.id/http://www.batan.go.id/http://tekim.undip.ac.id/staf/istadihttp://tekim.undip.ac.id/staf/istadihttp://tekim.undip.ac.id/staf/istadihttp://www.batan.go.id/

Documents

Simulasi Penumbuhan Katalis Nanokatalis Nikel Untuk Pembentukan Carbon Nanotube