Ilmu-Ilmu Fisik

Penemuan Fase Metastabil Graphene yang Ditumbuhkan pada Substrat Tembaga akibat Regangan Lokal pada Kisi

Graphene adalah material 2 dimensi yang tersusun atas atom-atom karbon yang membentuk struktur kisi sangkar lebah (honeycomb lattice) berbentuk heksagonal. Graphene dapat dibentuk menjadi struktur 0 dimensi fullerenes,  digulung menjadi struktur 1 dimensi yang dikenal dengan nama carbon nanotube dan ditumpuk menghasilkan graphite, lihat Gambar 1. Graphene  pertama kali diisolasi dari graphite (kita mengenalnya sebagai isi pensil) dengan cara mengelupasi graphite berkali-kali sehingga didapat satu lapisan graphene yang sempurna. Metode ini dikenal dengan nama exfoliasi. Graphene yang didapat dari metode ini berukuran sangat kecil (dalam skala mikrometer) sehingga penggunaannya terbatas untuk kepentingan riset di laboratorium saja.

graphene.JPG

Gambar 1. Satu lapisan graphene (atas). Graphene dapat dibentuk menjadi struktur 0 dimensi fullerenes (kiri bawah), struktur 1 dimensi carbon nanotube (tengah bawah) dan struktur 3 dimensi graphite (kanan bawah). Sumber: Geim, A.K. and Novoselov, K.,The Rise of Graphene, Nature Materials (2007)

Pada tahun 2009, peneliti dari University of Texas at Austin menemukan sebuah metode untuk mensintesis satu lapis graphene yang kontinu dan uniform yang luas permukaannya mencapai 1 cm x 1 cm, lihat Gambar 2. Mereka menggunakan metode chemical vapor deposition (CVD) dan menggunakan substrate berupa kertas tembaga yang telah di poles sehingga permukaannya sangat halus dan rata dalam skala atomik sebagai media untuk menumbuhkan graphene ini. CVD adalah sebuah metode untuk menumbuhkan atau mensintesis lapisan tipis (thin film) dengan mendeposisikan suatu material dalam fase gas ke suatu substrat. Material-material yang ingin dideposisikan yang dikandung oleh gas akan menumbuk permukaan substrat dan bereaksi serta terdekomposisi didekat permukaan substrat yang menghasilkan deposit dari material yang diinginkan. Disini mereka menggunakan gas metana untuk proses CVD ini. Proses berlangsung pada temperatur 1000 °C dan tekanan 500 miliTorr.

graphene1.JPG

Gambar 2. Graphene berukuran 1 cm x 1 cm

Sintesis satu lapisan graphene dengan luas yang besar ini dapat terjadi akibat dari rendahnya tingkat kelarutan atom karbon pada tembaga sehingga ketika sebuah lapisan graphene telah menutupi permukaan kertas tembaga, maka proses deposisi graphene akan berhenti dengan sendirinya sehingga tidak akan terbentuk lapisan graphene kedua, ketiga dan seterusnya. Pada proses-proses sintesis graphene yang dilakukan oleh peneliti-peneliti sebelumnya, mereka menggunakan substrat nikel dan mendapati beberapa lapis graphene tumbuh diatas substrate mereka. Sehingga metode menumbuhkan graphene dengan CVD diatas substrate tembaga adalah sebuah terobosan untuk mendapatkan satu lapis graphene yang kontinu, uniform dan memiliki luas yang besar. Metode ini sudah banyak diadopsi oleh industri saat ini untuk mensintesis graphene dengan diameter sebesar 6 inchi.

Baru-baru ini, tim peneliti dari beberapa universitas yang dikepalai oleh Asensio dari Universite Paris-Saclay menemukan sebuah fenomena bahwa graphene yang ditumbuhkan dengan CVD pada permukaan tembaga menunjukkan fase metastabil graphene. Mereka melaporkan hasil ini pada jurnal Nature Materials. Fase metastabil ini sebelumnya belum pernah dilaporkan oleh siapapun. Ketika graphene ditumbuhkan dipermukaan logam seperti tembaga, nikel, kobalt, paladium, emas, perak dan lainnya, graphene sedikit teregang akibat dari perbedaan kisi antara kristal dari substrat logam yang digunakan dan kisi dari graphene itu sendiri. Regangan yang terjadi selama ini ditemukan selalu kurang dari 2.5% dari ukuran kisi graphene. Namun ketika para peneliti melakukan karakterisasi lebih jauh dari sampel graphene yang mereka tumbuhkan pada permukaan tembaga dengan menggunakan instrumen nanoARPES (spatial and angled-resolved photoemission spectroscopy) dan LEEM/LEED (low-energy electron microscopy/diffraction) mereka mendapatkan bahwa dua fase graphene eksis secara bersamaan dengan menganalisa pola difraksi dari nanoARPES dan LEEM/LEED. Fase pertama (phase 1) adalah fase stabil yang sudah diketahui oleh banyak ilmuwan dimana kisi graphene hanya teregang sebesar 2.5% dan fase kedua (phase 2) adalah fase dengan kisi graphene teregang sebesar 7.5%, lihat Gambar 3. Regangan sebesar ini sangat besar yang mengakibatkan kisi graphene memiliki ukuran kisi sebesar 2.61 angstrom. Tidak hanya teregang sebesar 7.5%, kisi graphene juga mengalami rotasi sebesar 2 derajat dibanding fase stabilnya. Mereka menyebut fase ini sebagai metastabil karena untuk memperoleh kestabilan fase ini mereka harus memanaskan sampel mereka pada suhu 550 °C selama 2 jam sebelum melakukan pengukuran nanoARPES.

graphene3.JPG

Gambar 3. Perbandingan antara fase pertama dan fase kedua dari graphene. Fase pertama diilustrasikan oleh kisi graphene dan tembaga pada kanan atas. Data-data yang didalam elips biru putus-putus adalah regangan graphene pada beberapa substrat logam. Fase kedua diilustrasikan oleh kisi graphene dan tembaga pada kiri atas dan regangan dari graphene pada fase kedua ini diperlihatkan oleh data yang dilingkari oleh lingkaran merah putus-putus

Dengan melakukan simulasi, mereka menjelaskan bahwa ekspansi dari kisi graphene ini bisa terjadi akibat dari peningkatan interaksi antara substrat tembaga dan lapisan graphene diatasnya. Mereka menyebutkan bahwa lokalisasi elektron diantara atom tembaga dan atom karbon dari graphene meningkat sehingga mengakibatkan ikatan lebih kuat antar keduanya. Peningkatan ikatan kimia ini adalah kunci dari terbentuknya fase metastabil dari graphene pada substrat tembaga.

Penemuan ini akan membuka pintu untuk penelitian-penelitian selanjutnya untuk fase metastabil pada strutur-struktur hetero (heterostructure) lainnya seperti hBN dan hBN/Cu. Mereka juga mendapatkan bahwa fase metastabil graphene ini memiliki reaksi yang berbeda ketika di doping dengan atom rubium (Rb) sehingga membuka jalan untuk mengontrol properti kimia dan elektronik dari graphene.

Sumber:

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout /  Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout /  Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout /  Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout /  Ubah )

Connecting to %s