Wikipedia

Grafena

Revisi sejak 5 Januari 2009 02.56 oleh Kurniawaty Isilly (bicara | kontrib) (→‎Graphene Nanoribbons)

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 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.

Sintesis Grafena

Telah diperhitungkan bahwa fragmen-fragmen kecil lembaran grafena dihasilkan (bersamaan dengan serpihan lainnya) ketika grafit dikikis, misalnya ketika menggambar garis dengan pensil.[1] 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[2], 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).[3] 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.[4]

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.[5]

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.[6]

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 energi rendah yang dekat dengan enam sudut dua dimensi heksagonal atauzona Brillouin, yang massa efektif elektron dan lubang heksagonalnya akan menuju nol [7] Karena "penyebaran" relatif ini linear pada energi rendah, maka elektron-elektron dan lubang yang dekat dengan enam titik ini, berlaku seperti relativitaspartikel yang dijelaskan oleh persamaan Dirac untuk partikel dengan spin 1 / 2. [8] Oleh karena itu, elektron dan lubang heksagonalnya disebut fermions Dirac, dan enam sudut dari zona Brillouin disebut titik Dirac.[7] persamaan yang menjelaskan hubungan E-k adalah  ; dimana vf adalah kecepatan Fermi, yang nilainya sekitar 106M / s. [8]

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.[9][10] ini telah dikonfirmasikan secara eksperimen, tetapi hasil pengukurannya tidak cukup akurat untuk meningkat ke teknik yang lain untuk menentukan konstanta struktur.[11]

Sifat Mekanik

Grafena adalah substansi paling kuat yang dikenal manusia, menurut penelitian yang dikeluarkan oleh Universitas Columbia. proses pemisahan grafena dari grafit terjadi secara alami, dan masih diperlukan pengembangan teknologi yang lebih luas lagi, agar mempunyai nilai yang cukup ekonomis pada saat digunakan dalam proses industri. Penelitian terkini tentang grafena menyebutkan bahwa konstanta pegas pada lembaran-lembaran grafena yang digantung, dapat diukur dengan menggunakan mikroskop atom. pada penelitian ini, lembaran-lembaran grafena digantungkan pada rongga-rongga silikon dioksida dan dibantu dengan tenaga Van der Waals, dimana digunakan AFM untuk menguji sifat mekanik dari grafena. Konstanta pegas diukur pada rentang 1-5 N/m, dengan modulus Young sebesar 0,5 TPa, yang mana berbeda dari grafit yang meruah. Nilai-nilai yang tinggi ini, membuat grafena sangat kuat dan kaku. Sifat inilah yang memungkinkan grafena dimanfaatkan dalam aplikasi NEMS, seperti sensor tekanan dan resonator.[12]

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 yang melewati gerbang listrik telah diamati pada temperatur rendah. [8]

Efek Magnetik

Selain mobilitasnya yang tinggi dan Konduktivitas yang minimum, grafena menunjukkan perilaku sangat menarik dalam suatu medan magnetik. Grafena menunjukkan ketidak normal efek kuantum Hall dengan urutan dialihkan oleh  . dengan demikian, konduktivitas Hall adalah  , dimana   adalah index level rendah dan dan dengan menurunkan spin ganda akan dihasilkan faktor   [10] dapat diukur pada temperatur kamar.[2]. Grafena dua lapis juga menunjukkan efek kuantum Hall, tetapi dengan urutan standar dimana  . Menariknya, level yang tinggi pertama   adalah tidak ada, yang mengindikasikan bahwa graphene bilayer tetap ada pada logam dan terdapat pada titik netral. [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. Grafena 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 grafena akan membentuk lembaran single dengan ikatan yang sangat kuat. Lembaran-lembaran ini disebut Graphene Oxida Paper dengan keteraturan tensile modulus sebesar 32 GPa.[13]

Modifikasi Kimia

Larutan fragmen-fragmen dari grafena dapat dipreparasi di laboratorium melalui modifikasi kimia dari grafit[14]. 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 grafena dengan gugus karboksil pada bagian tepinya. Kemudian, berubah menjadi gugus asam klorida dengan penambahan tionyl klorida, kemudian dikonversi menjadi grafena 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

Pendeteksi molekul gas tunggal

Grafena dapat digunakan sebagai sensor yang sangat baik untuk menentukan struktur 2D. Pada kenyataaanya, keseluruhan isi grafena yang memiliki permukaan yang besar, membuat grafena sangat efisien untuk mendeteksi molekulyang diadsorpsi. secara tak langsung: sebagai molekul gas yang teradsorbsi ke permukaan grafena. Lokasi dari adsorpsi mengalami perubahan dalam tahanan listrik. Saat efek ini terjadi dalam material lain, grafena memiliki keunggulan karena mempunyai konduktivitas listrik yang tinggi dan rendahnya gangguan, yang membuat grafena ini tidak mengalami perubahan dalam mendeteksi.

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 grafena ini mempunyai rapat massa yang tinggi dibandingkan dengan kapasitor-kapasitor dielektrik konvensional. Selain itu ultrakapasitor dari grafena 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 grafena 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. Akhir-akhir 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 [15]. Hasil eksperimen memperlihatkan bahwa energi GAP benar-benar meningkat dengan menurunnya lebar GNR [16]. Meskipun demikian tidak ada data eksperimen yang mengukur energi GAP dari suatu GNR dan mengidentifikasi dengan tepat struktur tepinya [17] 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.[18]

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 grafena yang benar-benar stabil. Transistor grafena memiliki kelebihan dibandingkan dengan material lain seperti silikon,diantaranya tidak cepat membusuk dan tidak cepat teroksidasi.[13]

Referensi

  1. ^ "...bits of graphene are undoubtedly present in every pencil mark" —Carbon Wonderland, Scientific American, April 2008
  2. ^ Novoselov, K.S. et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science 306, 666 (2004) doi:10.1126/science.1102896
  3. ^ "Carbon Wonderland", Scientific American, April 2008
  4. ^ "A smarter way to grow graphene", PhysOrg.com, May 2008
  5. ^ "Researchers discover method for mass production of nanomaterial graphene", PhysOrg.com, Nov 2008
  6. ^ Choucair, Mohammad (2008). "Gram-scale production of graphene based on solvothermal synthesis and sonication". Nature Nanotechnology. doi:10.1038/nnano.2008.365. 
  7. ^ a b J.-C. Charlier, P.C. Eklund, J. Zhu, and A.C. Ferrari, “Electron and Phonon Properties of Graphene: Their Relationship with Carbon Nanotubes,” from Carbon Nanotubes: Advanced Topics in the Synthesis, Structure, Properties and Applications, Ed. By A. Jorio, G. Dresselhaus, and M.S. Dresselhaus, Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag, 2008
  8. ^ a b Avouris, P., Chen, Z., and Perebeinos, V. Carbon-based electronics. Nature Nano. 2 605-613 (2007)
  9. ^ Kuzmenko, A. B.; van Heumen, E.; Carbone, F.; van der Marel, D. (2008), "Universal infrared conductance of graphite", Phys. Rev. Lett., 100: 117401(2008), doi:10.1103/PhysRevLett.100.117401 
  10. ^ Nair, R. R.; Blake, P.; Grigorenko, A. N.; Novoselov, K. S.; Booth, T. J.; Stauber, T.; Peres, N. M. R.; Geim, A. K. (2008-004-03), "Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene", Science, 320: 1308, doi:10.1126/science.1156965, PMID 18388259 
  11. ^ "Graphene Gazing Gives Glimpse Of Foundations Of Universe", ScienceDaily, 2008-04-04, diakses tanggal 2008-04-06 
  12. ^ 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)
  13. ^ Graphene Oxide Paper, Technology Transfer Program, Northwestern University
  14. ^ Sandip Niyogi, Elena Bekyarova, Mikhail E. Itkis, Jared L. McWilliams, Mark A. Hamon, and Robert C. Haddon . Solution Properties of Graphite and Graphene. J. Am. Chem. Soc. 128(24) pp. 7720–7721 (2006); (Communication) doi:10.1021/ja060680r
  15. ^ Barone, V., Hod, O., and Scuseria, G. E. Electronic Structure and Stability of Semiconducting Graphene Nanoribbons Nano Lett. 6, 2748 (2006)
  16. ^ Han., M.Y., Özyilmaz, B., Zhang, Y., and Kim, P. Energy Band-Gap Engineering of Graphene Nanoribbons. Phys. Rev. Lett. 98, 206805 (2007)
  17. ^ As of Thursday, February 28, 2008
  18. ^ Wang, Z. F., Shi, Q. W., Li, Q., Wang, X., Hou, J. G., Zheng, H., et al. Z-shaped graphene nanoribbon quantum dot device. Applied Physics Letters, 91(5), 053109 (2007)

Lihat Juga

Pranala luar

Templat:Link FA

Diperoleh dari "https://wiki-indonesia.club/w/index.php?title=Grafena&oldid=1938743"