Grafena

Grafin adalah lembaran berbentuk datar yang tipis dari atom karbon yang berikatan sp² yang padat dikemas dalam lubang kisi-kisi kristal. Hal ini dapat dilihat sebagai sebuah jaringan skala atom yang terbuat dari atom karbon dan ikatannya. Namanya berasal dari GRAPHITE +-ENE; grafit sendiri terdiri dari banyak lembar grafin ditumpuk secara bersama.

Ikatan karbon-karbon dalam grafin adalah sekitar 0,142 nm. Grafin merupakan dasar dari semua elemen struktural allotrop karbon termasuk grafit, karbon nanotube dan fullerene. Grafin juga dapat dianggap sebagai molekul aromatik yang sangat besar, yang merupakan kelompok senyawa hidrokarbon polisiklik aromatik datar.

Sejarah Penemuan Graphene

Pada tahun 2004 group riset dari Universitas Manchester yang dipimpin oleh Andre K.Giem dan Kostya Novoselov menemukan suatu bahan semikonduktor yang disebut "Graphene"[1]. Bahan yang merupakan alotrop karbon ini mempunyai ketebalan hanya satu atom saja, yaitu karbon yang disusun menyamping pada kisi yang menyerupai sarang lebah dan diperkirakan sebagai bahan semikonduktor tertipis di Dunia[2]. Lapisan tunggal dari grafit sebelumnya (sekitar tahun 1970an)ditumbuhkan secara epitak di atas material-material lainnya dan biasa di sebut "epitaxial graphene". Epitaxial graphene ini mengandung lapisan setebal satu atom berbentuk heksagonal dengan ikatan sp² antar atom karbonnya. Pada proses penumbuhan kristal grafin ini terjadi transfer muatan dari substrat ke epitaxial grafin, dan dalam beberapa kasus terjadi hibridisasi orbital d dari atom substrat dengan orbital phi dari grafin, yang secara signifikan mengubah struktur elektronik dari grafin[3].

Penjelasan

Grafin sempurna secara eksklusif terdiri dari sel berbentuk bersegi enam, bersegi lima dan segi tujuh merupakan sel yang cacat. Jika sel bersegi lima yang terisolasi hadir, maka bidang akan mengkerut menjadi berbentuk kerucut; masuknya 12 segi lima akan membuat fullerene. Demikian pula, masuknya segi tujuh terisolasi menyebabkan lembar untuk menjadi berbentuk sadel. Penambahan yang terkendali dari segi lima dan segi enam akan membuat berbagai bentuk komplek yang bisa dibuat, misalnya karbon NanoBuds. Dinding karbon nanotube tunggal dapat dianggap silinder grafin; yang memiliki beberapa grafin hemispherical tutup (yang mencakup +6 pentagons) di ujungnya.

Sintesis Grafin

Potongan-potongan kecil dari lembaran grafin yang dihasilkan (bersama dengan serpihan lain) grafit, seperti ketika menggambar garis dengan pensil, namun, para ahli fisika dari Universitas Manchester dan Institut Teknologi untuk Microelectronics, Chernogolovka dari Rusia yang pertama mengisolasi dan mempelajari grafin dari polisiklik aromatik hidrokarbon PAH pada tahun 2004, dan dipublikasikan dalam jurnal sains Novoselovs.

Pertumbuhan Epitax

Metode ini pada prinsipnya menggunakan suatu substrat untuk media pertumbuhan grafin. Metode ini mempunyai kelemahan diantaranya tidak menghasilkan lembaran-lembaran grafin dengan ketebalan yang seragam, dan terjadi ikatan antara lembaran grafin bagian bawah dengan substrat yang dapat memberikan efek terhadap sifat-sifat elektronik dari grafin yang dihasilkan.

Reduksi Silikon Karbida

Sintesis grafin dapat juga dilakukan dengan metode reduksi silikon karbida, yaitu dengan cara memanaskan silikon karbida pada temperatur tinggi (1100°C) untuk mereduksinya menjadi grafin. Proses ini menghasilkan sampel dengan ukuran kecil yang mungkin cocok dengan teknik pembuatan untuk di aplikasikan di bidang elektronik.

Reduksi Hidrazin

Para peneliti telah mengembangkan suatu metode ''placing graphene oxide paper'' dalam larutan hidrazin murni ( suatu senyawa kimia yang mengandung nitrogen dan hidrogen) yang mereduksi grafit oksida paper menjadi lembaran tunggal grafin.

Reduksi Etanol

Publikasi ahir-ahir ini telah menggambarkan proses sintesis grafin untuk menghasilkan grafin dalam jumlah gram, yaitu dengan mereduksi etanol dengan logam natrium, dilakukan dengan pirolisis etoksida kemudian mencucinya dengan air untuk menghilangkan garam-garam natrium[14].

Sifat-sifat graphene

Sifat Elektronik

Graphene sangat berbeda dari kebanyakan bahan konvensional tiga dimensi. Hakikat graphene adalah semi-logam atau semikonduktor dengan jeda bernilai nol. Hubungan E-k adalah linear untuk enam sudut dua dimensi bersegi enam zona Brillouin dengan energi yang rendah, menuju nol untuk massa efektif elektron dan lubang. [4] Karena ini linear "penyebaran" relatif pada energi rendah, elektron dan lubang dekat enam titik seperti partikel dijelaskan oleh persamaan Dirac untuk partikel dengan spin 1 / 2. [5] Oleh karena itu, elektron dan lubang disebut fermions Dirac, dan enam sudut dari zona Brillouin yang disebut titik Dirac. [4] persamaan yang menjelaskan hubungan E-k adalah; dimana vf, dengan kecepatan Fermi, adalah sekitar 106M / s. [5]

Sifat Mekanik

Graphene adalah substansi paling kuat yang dikenal manusia, menurut penelitian yang dikeluarkan oleh Universitas Columbia. Bagaimanapun, proses pemisahannya dari grafit, dimana yang terjadi secara alami, akan diperlukan pengembangan teknologi sebelumnya agar mempunyai nilai ekonomis saat digunakan pada proses industri.Penelitian terkini tentang graphene menyebutkan bahwa kontanta pegas pada lembaran-lembaran graphene yang digantung dapat diukur dengan menggunakan mikroskop atom. Lembaran-lembaran graphene digantungkan pada rongga-rongga silikon dioksida dan dibantu dengan tenaga Van der Waals, dimana digunakan AFM untuk menguji sifat mekanik graphene. Konstanta pegas diukur pada rentang 1-5 N/m, dengan modulus Young sebesar 0,5 TPa, yang mana berbeda dari grafit yang bulki. Nilai-nilai yang tinggi tersebut membuat graphene sangat kuat dan kaku. Sifat inilah yang memungkinkan graphene dimanfaatkan dalam aplikasi NEMS, seperti sensor tekanan dan resonator. [6]

Transport spin pada graphene

Graphene dianggap sebagai bahan yang ideal untuk spintronics, karena interaksi orbit spin kecil dan tidak adanya kedekatan dengan momen magnet inti dalam karbon. Injeksi arus spin listrik dan deteksi pada graphene telah didemonstrasikan. Demonstrasi ini dilakukan sampai pada suhu kamar. Perpaduan spin yang panjangnya lebih dari 1 mikrometer pada suhu kamar telah diamati,[7] dan kontrol dari polaritas arus spin dengan gerbang listrik telah diamati pada temperatur rendah.[8]

Efek Magnetik

Selain mobilitasnya yang tinggi dan Konduktivitas yang minimum, graphene menunjukkan perilaku sangat menarik dalam suatu medan magnetik. Graphene menunjukkan ketidak normal efek kuntum Hall dengan urutan dialihkan oleh $1/2$. dengan demikian, konduktivitas Hall adalah $\sigma _{xy}=\pm {4\left(N+1/2\right)e^{2}}/h$, dimana $N$ adalah index level Landau dan dan dengan menurunkan spin ganda akan dihasilkan faktor $4$. dapat diukur pada temperatur kamar. graphene dualapis juga menunjukkan efek kuantum Hall, tetapi dengan urutan standar dimana $\sigma _{xy}=\pm {4Ne^{2}}/h$. menariknya, plateau pertama $N=0$ adalah tidak ada, mengindikasikan bahwa graphene bilayer pada metalik.

Transport elektron pada graphene

Tiap atom karbon dalam graphene mempunyai satu orbital s dan tiga orbital p. Satu orbital s dan dua orbital p digunakan untuk membentuk ikatan kovalen yang kuat dan tidak berkontribusi dalam konduktivitas sedangkan satu elektron bebas yang berada pada subkulit p membentuk orbital phi yang tegak lurus dengan lembaran graphene yang akhirnya akan menentukan sifat-sifat elektrik dari graphene.Elektron-elektron ini seperti tidak memiliki massa, seperti partikel-partikel tanpa massa yang digambarkan dalam teori relativitas,e=mc². Hasil percobaan dari pengukuran transpor elektron menunjukkan bahwa graphene memiliki mobilitas elektron yang tinggi pada suhu ruang dengan nilai lebih dari 15.000cm² V^-1 s^-1. Graphene juga tetap stabil pada suhu tinggi bersifat konduktif (menghantar listrik) dalam ukuran satu nanometer sekalipun.[1]

Oksida Graphene

Dengan mengoksidasi secara kimiawi graphene dan kemudian merendamnya di air, lapisan-lapisan graphene akan membentuk lembaran single dengan ikatan yang sangat kuat. Lembaran-lembaran ini disebut Graphene Oxida Paper dengan keteraturan tensile modulus sebesar 32 GPa [9].

Modifikasi Kimia

Larutan fragmen-fragmen dari grafin dapat dipreparasi di laboratorium melalui modifikasi kimia dari grafit [13]. Pertama, mikrokristalin grafit diperlakukan dengan campuran asam kuat, yaitu asam sulfat dan asam nitrat. Serangkaian tahap-tahap meliputi oksidasi, hasil pengelupasannya berupa plat kecil dari grafin dengan gugus karboksil pada bagian tepinya. Kemudian, berubah menjadi gugus asam klorida dengan penambahan tionyl klorida, kemudian dikonversi menjdadi grafin amida yang sesuai dengan cara mentreatment dengan oktadecylamine. Ahirnya menghasilkan meterial berupa lembaran grafin berbentuk lingkaran dengan ketebalan 5,3 Angstrom yang larut dalam tetrahidrofuran, tetraklorometana, dan dikloroetana.

Aplikasi

Deteksi molekul gas tunggal

Graphene dapat dibuat sensor yang sangat baik untuk menentukan struktur 2D. Deteksi molekul secara tak langsung: sebagai gas molekul teradsorbsi ke permukaan graphene. Sementara efek ini terjadi dalam material lain, graphene memiliki keunggulan karena mempunyai konduktivitas listrik yang tinggi dan rendahnya gangguan yang membuat alat mampu mendeteksi perubahan yang kecil.

Ultrakapasitor

Menurut Prof.Rod Ruoff graphene memiliki luas permukaan 2630 M²/gram dapat membentuk lapisan-lapisan dan menghasilkan ruang-ruang yang dapat menyimpan energi sehingga bisa digunakan sebagai ultrakapasitor. Ultrakapasitor dari graphene ini mempunyai rapat massa yang tinggi dibandingkan dengan kapasitor-kapasitor dielektrik konvensional. Selain itu ultrakapasitor dari graphene memiliki range yang besar dalam menangkap energi dan menyimpan energi tersebut sehingga dapat pula dijadikan sebagai sumber daya primer bila dikombinasikan dengan aki atau sel bahan bakar. Ultrakapasitor dari graphene dapat menangkap kembali energi yang terbuang dengan mengubah energi kinetik menjadi energi potensial sehingga akan mengurangi kalor yang terbuang.Industri dapat mengurangi energi yang terbuang dengan memasang ultrakapasitor dalam mesin-mesin produksi dan dapat pula diterapkan pada bus,truk dan kereta api.[7]

Graphene Nanoribbons

Graphene Nanoribbons (GNRs) adalah lapisan tunggal yang esensial dari graphene yang dipotong dengan pola tertentu untuk menghasilkan sifat-sifat listrik tergantung dari tepi lembaran tersebut, dapat berbentuk Z atau armchair. Berdasarkan perhitungan prediksi tigh binding bahwa GNR yang zigzag bersifat logam, sedangkan armchair dapat bersifat logam ataupun semilogam tergantung lebarnya. GNR dapat mempunyai sifat logam hingga semikonduktor tergantung chiralitynya. GNR bertepi zigzag bersifat logam dengan bentuk khas pada kedua sisinya tanpa memperhatikan lebarnya. Sementara GNR bertepi armchair dapat bersifat logam ataupun semikonduktor tergantung pada lebar NA. GNR armchair akan bersifat logam jika NA = 3k + 2 ( k adalah bilangan bulat ) dan jika tidak maka bersifat semikonduktor. Ahir-ahir ini bermacam-macam junction seperti bentuk L, bentuk T dan bentuk Z di dasarkan pada dua jenis GNR yang telah diusulkan tersebut. Walaupun junction-junction ini memiliki bentuk geometri yang sama dengan junction Quasi satu dimensi yang lain, keadaan elektronnya sangat berbeda dari junction yang lain karena pada GNR elektron-elektronnya mempunyai sifat yang khas [8].

Perhitungan DFT akhir-akhir ini memperlihatkan nanoribbons armchair bersifat semikonduktor dengan skala energi GAP nya berbanding terbalik dengan lebarnya [9]. Hasil eksperimen memperlihatkan bahwa GAP energi benar-benar meningkat dengan menurunnya lebar GNR [10]. Meskipun demikian tidak ada data eksperimen yang mengukur GAP energi dari suatu GNR dan mengidentifikasi dengan tepat struktur tepinya [11]. Nanoribbons zigzag juga bersifat semikonduktor dan memiliki spin tepi yang terpolarisasi. Struktur 2D nya memiliki daya hantar listrik dan termal yang tinggi dengan ganguan yang kecil memungkinkan GNR digunakan sebagai alternatif pengganti tembaga untuk sambungan-sambungan sirkuit tembaga. Beberapa penelitian juga dilakukan untuk membuat Quantum dots dengan mengubah lebar GNR pada titik tertentu disepanjang pita untuk membuat quantum confinement [12].

Referensi

• 1. Katsnelson,M.L.,Graphene : carbon in two dimensions,Material today,10 20-27 (2007)
• 2. Giem,A.K.& MacDonald,A.H.,Graphene : Exploring Carbon Flatland,Phisic today,60 35-41 (Agustus 2007)
• 3. For a review, see Oshima, C.and Nagashima, A. Ultra-thin epitaxial films of graphite and hexagonal boron nitrida on solidsurfaces. J.Phys.:Condens.Matter9,1(1997)
• 4. J.C.Charlier,P.C.Eklund,J.Zhu,and A.C.Ferarri,"Electron and phonon properties of graphene:Their Relationship with Carbonnanotubes,"from carbon nanotubes:Advanced topic in the Syntetis,Structure,Properties and Application,Eb.By A. Jorio,G.Dresselhaus,and M.S.Dresselhaus, Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag,2008.
• 5. Avouris,P., Chen,Z.,and perebeinos, V. carbon-based electronik. Nature Nano.2 605-613 (2007)
• 6. Tombros, Nikolaos; et al. (2 August 2007). "Electronic spin transport and spin precession in single graphene layers at room temperature" (PDF). Nature 448: 571–575. doi:10.1038/nature06037
• 7 Cho, Sungjae; Yung-Fu Chen, and Michael S. Fuhrer (19 September 2007). "Gate-tunable Graphene Spin Valve". Applied Physics Letters 91: 123105.
• 8 Toughest Stuff Known to Man: Discovery Opens Door to Space Elevator, By Bill Sanderson, nypost, August 25, 2008.
• 9 Frank, I. W., Tanenbaum, D. M., Van Der Zande, A.M., and McEuen, P. L. Mechanical properties of suspended graphene sheets. J. Vac. Sci. Technol. B 25, 2558-2561, 2007.
• 10. Graphene Oxida Paper,Technology Transfer Program, Nortwestern University.
• 11. Stoller,Meryl D.:Sungjin Park,Yanwu Zhu, Jinho An, and Rodney S. Rouff (22 Agustus 2008) (PDF). Graphene-Based Ultracapasitor.
• 12. Chen,Y.,P.,Xie,Y.,E.,Zhong,J.,(2008),Resonant transport and quantum bound states in Z-shaped graphene nanoribbons,Physics letters,372, 5928-5931.
• 13. Barone,V.,Hod,O.,and Scuseria,G.E,Electronik structureand stability of semikonducting GrapheneNanoribbons,PhysRew.Lett.98,206805(2007)
• 14 Han.,M.,Y.,Ozylmaz,B.,and Kim,P.energi band-Gap Engineering of Graphene Nanoribbons.Phys.Rev..lett.6.2748(2006).
• 15 As of Thursday,Februari 28, 2008.
• 16 Wang,Z.F.,Shl,Q.,W.,Li,Q.,Wang,X.,Hau,J.,G.,Zheng,H.,et al.,Z-Shaped Graphene Nanoribbons Quantum dots device.ApliedPhysics letter,91(5)053109(2007)
• 17 Sandip Niyogi, Elena Bekyarova, Mikhail E. Itkis, Jared L. McWilliams, Mark A. Hamon, and Robert C. Haddon (2006). Solution Properties of Graphite and Graphene. J. Am. Chem. Soc. 128(24) pp. 7720–772, (Communication) doi:10.1021/ja060680r
• 18 Choucair, Mohammad (2008). "Gram-scale production of graphene based on solvothermal synthesis and sonication". Nature Nanotechnology. doi:10.1038/nnano.2008.365