Grafena

Grafena merupakan alotrop karbon yang berbentuk lembaran datar tipis dengan setiap atom karbon memiliki ikatan sp² dan dikemas rapat dalam bentuk kisi kristal seperti sarang lebah. Ia dapat dilihat sebagai sebuah 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 adalah jaring-jaring berskala atom yang dibentuk dari atom karbon.

Ikatan karbon-karbon pada grafena adalah sekitar 0,142 nm. Grafena merupakan unsur struktur dasar dari alotrop karbon, meliputi grafit, tabung nano karbon, dan fulerena. Grafena juga dapat dianggap sebagai molekul aromatik yang sangat besar, yang merupakan kelompok senyawa hidrokarbon polisiklik aromatik datar.

Sejarah penemuan grafena

Pada tahun 2004 kelompok riset dari Universitas Manchester yang dipimpin oleh Andre K.Giem dan Kostya Novoselov menemukan suatu bahan semikonduktor yang disebut "Graphene". 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. Lapisan tunggal dari grafit sebelumnya (sekitar tahun 1970an) ditumbuhkan secara epitaksial di atas material-material lainnya dan biasa di sebut "grafena epitaksial". Grafena epitaksial ini mengandung lapisan setebal satu atom berbentuk heksagonal dengan ikatan sp² antar atom karbonnya. Pada proses penumbuhan kristal grafena ini terjadi transfer muatan dari substrat ke grafena epitaksial, dan dalam beberapa kasus terjadi hibridisasi orbital d dari atom substrat dengan orbital pi dari grafena, yang secara signifikan mengubah struktur elektronik grafena.

Penjelasan

Grafena yang sempurna secara eksklusif terdiri dari sel-sel yang berbentuk heksagonal; sel berbentuk segi lima dan segi tujuh merupakan sel yang cacat. Jika terdapat sel bersegi lima yang terisolasi , maka bidang akan mengkerut menjadi berbentuk kerucut; penyisipan 12 segi lima akan membentuk fulerena. Demikian pula, penyisipan sel segi tujuh yang terisolasi menyebabkan lembaran menjadi berbentuk pelana. Penambahan yang terkendali dari segi lima dan segi tujuh mengijinkan pembuatan berbagai bentuk komplek, misalnya carbon nanobud. Tabung nano karbon berdinding tunggal dapat dianggap sebagai silinder grafena; beberapa memiliki tutup berbentuk setengah bola (yang melibatkan 6 segi lima) di setiap ujungnya.

Sintesis Grafena

Telah diperhitungkan bahwa fragmen-fragmen kecil lembaran grafena dihasilkan (bersamaan dengan serpihan lainnya) ketika grafit dikikis, misalnya ketika menggambar garis dengan pensil. Namun, fisikawan dari Universitas Manchester dan Institute for Microelectronics Technology, Chernogolovka, Russia yang pertama kali mengisolasi dan mempelajari grafena (daripada hidrokarbon aromatik polisiklik) pada tahun 2004. Selain itu pada publikasi dalam jurnal ilmiah Science, mereka juga mendefinisikan grafena sebagai:

Graphene is the name given to a single layer of carbon atoms densely packed into a benzene-ring structure, and is widely used to describe properties of many carbon-based materials, including graphite, large fullerenes, nanotubes, etc. (e.g., carbon nanotubes are usually thought of as graphene sheets rolled up into nanometer-sized cylinders). Planar graphene itself has been presumed not to exist in the free state, being unstable with respect to the formation of curved structures such as soot, fullerenes, and nanotubes.

Grafena sampai saat ini merupakan bahan paling mahal di Bumi, dengan sebuah sampel yang dapat diletakkan di potongan rambat manusia memakan biaya lebih dari $1.000 (April 2008). Harga grafena dapat menurun secara dramatis apabila metode produksi komersial dikembangkan di masa depan.

Pertumbuhan epitaksial

Metode ini pada prinsipnya menggunakan suatu substrat sebagai bibit pertumbuhan grafena. Hal ini dikenal sebagai pertumbuhan epitaksial. Metode ini mempunyai kelemahan diantaranya tidak menghasilkan lembaran-lembaran grafena dengan ketebalan yang seragam. Selain itu ikatan antara lembaran grafena bagian bawah dengan substrat dapat mempengaruhi sifat-sifat lapisan karbon.

Reduksi Silikon Karbida

Sintesis grafena dapat juga dilakukan dengan metode reduksi silikon karbida, yaitu dengan cara memanaskan silikon karbida pada temperatur tinggi (1100°C) untuk mereduksinya menjadi grafena. Proses ini menghasilkan sampel berukuran kecil yang tidak memungkinkannya digunakan pada teknik fabrikasi kebanyakan aplikasi elektronik.

Reduksi Hidrazina

Para peneliti telah mengembangkan suatu metode meletakkan kertas grafena oksida dalam larutan hidrazina murni (suatu senyawa kimia yang mengandung nitrogen dan hidrogen) yang akan mereduksi kertas grafit oksida menjadi grafena berlapis tunggal.

Reduksi etanol

Publikasi baru-baru ini telah menjelaskan proses sintesis grafena dalam jumlah gram, yaitu dengan mereduksi etanol oleh logam natrium, diikuti dengan pirolisis produk etoksida, kemudian mencucinya dengan air untuk menghilangkan garam-garam natrium.

Sifat-sifat grafena

Sifat Elektronik

Grafena sangat berbeda dari kebanyakan bahan konvensional tiga dimensi. Hakikat grafena adalah semilogam 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 optik

Grafena mempunyai sifat elektronik yang unik yang dihasilkan dari keburaman yang tinggi untuk lapisan atomik tunggal, dengan sebuah nilai yang mudah: grafena menyerap πα ≈ 2.3% dari cahaya putih, dimana α adalah konstanta struktur. ini telah dikonfirmasikan secara eksperimen, tetapi hasil pengukurannya tidak cukup akurat untuk meningkat ke teknik yang lain untuk menentukan konstanta struktur.

Sifat Mekanik

Grafena 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 grafena menyebutkan bahwa konstanta pegas pada lembaran-lembaran grafena yang digantung dapat diukur dengan menggunakan mikroskop atom. Lembaran-lembaran grafena digantungkan pada rongga-rongga silikon dioksida dan dibantu dengan tenaga Van der Waals, dimana digunakan AFM untuk menguji sifat mekanik grafena. 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 grafena sangat kuat dan kaku. Sifat inilah yang memungkinkan grafena dimanfaatkan dalam aplikasi NEMS, seperti sensor tekanan dan resonator. [6]

Transport spin pada grafena

Grafena 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 grafin 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 $4$ [10] dapat diukur pada temperatur kamar [2]. 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 [10].

Transport elektron pada grafena

Tiap atom karbon dalam grafena 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 grafena yang akhirnya akan menentukan sifat-sifat elektrik dari grafena.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 Grafena

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

Modifikasi Kimia

Larutan fragmen-fragmen dari grafena dapat dipreparasi di laboratorium melalui modifikasi kimia dari grafit through chemical modification of graphite. 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 graena 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 grafena berbentuk lingkaran dengan ketebalan 5,3 Angstrom yang larut dalam tetrahidrofuran, tetraklorometana, dan dikloroetana.

Aplikasi

Deteksi molekul gas tunggal

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

Ultrakapasitor

Menurut Prof.Rod Ruoff grafin 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 grafin ini mempunyai rapat massa yang tinggi dibandingkan dengan kapasitor-kapasitor dielektrik konvensional. Selain itu ultrakapasitor dari grafin 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 grafin 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 grafena 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.

Perhitungan DFT akhir-akhir ini memperlihatkan nanoribbons armchair bersifat semikonduktor dengan skala [[energi] GAP nya berbanding terbalik dengan lebarnya . Hasil eksperimen memperlihatkan bahwa energi GAP benar-benar meningkat dengan menurunnya lebar GNR . Meskipun demikian tidak ada data eksperimen yang mengukur energi GAP dari suatu GNR dan mengidentifikasi dengan tepat struktur tepinya Zigzag nanoribbons are also semiconducting and present spin polarized edges.

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.

Transistor Grafena

Transistor grafena sudah ditemukan sejak 2 tahun yang lalu, namun transistor tersebut masih mengalami kebocoran dan mempengaruhi penampilan atau performa jika digunakan pada chip komputer, akan tetapi setelah dua tahun berikutnya kebocoran dari graphene dapat ditutupi dan telah diciptakan transistor graphene yang benar-benar stabil. Transistor grafena memiliki kelebihan dibandingkan dengan material lain seperti silikon,diantaranya tidak cepat membusuk dan tidak cepat teroksidasi.[13]

Referensi

• Stoller, Meryl D.; Sungjin Park, Yanwu Zhu, Jinho An, and Rodney S. Ruoff (22 August 2008) (PDF). Graphene-Based Ultracapacitors

Lihat Juga

• Grafit
• karbon

Pranala luar

• (Inggris)silikon out graphene in
• (Inggris)Nano balon yang sempurna
• (Inggris)Mentoknya ukuran semikonduktor sudah mulai mendapat titik terang
• (Inggris)Transistor terkecil dibuat dari Goresan pensil
• (Inggris)Membuktikan teori Einstein dengan pensil
• (Inggris)Epitaxial graphene Lab