BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Masalah Graphene merupakan susunan atom-atom karbon monolayer dua dimensi
yang membentuk struktur kristal heksagonal menyerupai sarang lebah. Graphene memiliki sifat unik dan unggul dibandingkan dengan material lain. Graphene tidak memiliki band gap, mobilitas elektron graphene multilayer sekitar 15000 cm2V-1s-1 pada suhu 300 K dan sekitar 60000 cm2V-1s-1 pada suhu 4 K, sedangkan untuk graphene fewlayer antara 3000-10000 cm2V-1s-1 (Novoselov dkk., 2004). Transmisi optik graphene monolayer mencapai 97,7% (Nair dkk., 2009) dan konduktansi universal sekitar 6,08x10-5 1 pada rentang energi 0,1 eV sampai 0,6 eV (Kuzmenko dkk., 2008). Sifat khusus dari graphene dapat dianalisis dengan menentukan konduktivitas optik graphene sebagai fungsi energi. Tanpa adanya gangguan, konduktivitas optik graphene memiliki nilai yang universal ⁄
pada rentang energi inframerah sampai sinar tampak (Nair dkk.,
2009; Neto dkk., 2009; Mak dkk., 2011). Pada rentang energi sinar tampak (1,5 3 eV) graphene bersifat transparan, sedangkan pada daerah ultraviolet terjadi puncak serapan pada energi 4,62 eV yang disebabkan adanya efek exitonic serta interaksi saling mempengaruhi antara elektron-elektron dan elektron-hole (Mak dkk., 2011). Beberapa keunggulan sifat optik, sifat listrik dan sifat mekanik menyebabkan graphene menarik untuk dipelajari dan memiliki potensi besar untuk aplikasi pada bidang optoelektronik. Akhir-akhir ini banyak penelitian mengkaji bagaimana band gap graphene dapat dibuka dan dikontrol untuk mendapatkan material sesuai dengan aplikasi pada devices elektronik modern. Fungsionalisasi graphene secara kimia seperti modifikasi graphene dengan hidrogen (Cheng dkk, 2013; Puttz dkk, 2014), fluorine (Yuan dkk, 2015), oksigen (Sljivancanin dkk, 2013) dan beberapa elemen lainnya telah banyak diteliti. Graphene oxide (GO) merupakan material baru berbasis karbon. GO mengandung beberapa gugus fungsi oksigen yang menjadikan kandidat baik untuk beberapa aplikasi seperti sensor dan elektroda 1
2
fleksibel transparan konduktif. Namun, penelitian sebelumnya menunjukan bahwa GO merupakan isolator dengan sifat elektronik yang kurang baik. Sehingga mengontrol oksidasi GO dengan berbagai bahan kimia maupun termal penting untuk meningkatkan sifat elektronik dan mekanik. Beberapa penelitian yang mengkaji aplikasi graphene mengalami beberapa kendala. Wang dkk. (2011) telah menunjukan bahwa penggunaan pristine graphene tidak terlalu banyak meningkatkan efisiensi sel surya organik heterojunction P3HT:PCBM terlepas dari masalah belum optimalnya parameterparameter eksperimen yang mengontrol ketebalan masing-masing lapisan. Sehingga membutuhkan doping MoO3 atau HCl pada graphene untuk mendapatkan sheet resistance yang lebih kecil (Wang dkk., 2011). Selain itu, modifikasi morfologi lapisan dalam bentuk nanofiber dilakukan seperti Madhavan dkk. (2012) telah melaporkan pembuatan nanofiber TiO2-graphene sebagai anoda pada DSSC dengan efisiensi sebesar 7,6 %. Cara lain untuk meningkatkan konduktivitas yaitu dengan mengkombinasi graphene dengan polimer konduktif. Polimer konduktif merupakan polimer organik yang dapat menghantarkan arus listrik melalui proses doping serta bersifat semikonduktor dengan pita valensi yang terisi penuh dan pita konduksi yang kosong. Pita-pita ini dipisahkan oleh sebuah celah pita (band gap) yang disebut pita terlarang (forbidden gap). Pemberian doping pada polimer menciptakan pita-pita baru dalam celah energi, yang memungkinkan bagi elektron bergerak ke pita-pita ini sehingga meningkatkan konduktivitasnya, dan juga mengakibatkan perubahan sifat optik. Pemberian doping mengakibatkan celah pita energi menyempit sehingga spektrum absorpsi pada pita energi bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih panjang (Ivaska, 2005). Salah satu polimer konduktif yang sering difungsikan dengan graphene adalah PEDOT:PSS karena memiliki sifat konduktivitas, transparan, mudah dibentuk dan stabil (Hong dkk., 2008; Xu dkk., 2009; Park dkk., 2013). Salah satu parameter penting dalam aplikasi dibidang optoelektronik maupun sensor adalah sifat optik. Secara spesifik, parameter optik seperti absorpsi optik dan indeks bias sangat berpengaruh terhadap kinerja suatu devices sensor maupun optoelektronik.
3
Pada penelitian ini, akan dilakukan kajian sifat optik nanofiber reduced graphene oxide (rGO) yang difungsionalisasikan dengan polimer konduktif Poly(3,4-ethylenedioxitriophene):Poly (Styrene sulfonate) (PEDOT:PSS). Tahap awal penelitian adalah sintesis graphene oxide menggunakan metode Hummer. Metode ini dipilih karena diangggap mudah, murah dan sederhana yaitu dengan mengoksidasi grafit yang banyak tersedia di alam secara kimiawi. meskipun produk
yang
rGO/PEDOT:PSS
dihasilkan
hanya
disintesis
sebatas
menggunakan
graphene metode
oxide.
Nanofiber
electrospinning.
Elektrospinning merupakan metode yang telah sukses dan mudah diterapkan dalam pembuatan serat polimer dengan ukuran diameter dalam skala mikrometer sampai nanometer. Polimer matriks nanofiber yang digunakan dalam penelitian ini adalah polivinil alkohol (PVA), karena PVA mudah larut dalam air, tidak beracun dan banyak dipakai sebagai media (matriks) untuk bahan-bahan yang tidak dapat di-electrospinning. Penelitian ini difokuskan pada struktur morfologi nanofiber graphene oxidePEDOT:PSS hasil electrospinning serta kajian sifat optik khususnya absorpsi optik dan indeks bias dari pengukuran spektroskopi UV-Vis. Data serapan yang diperoleh dari pengukuran kebanyakan hanya bagian imajiner. Sehinggga untuk mendapatkan konstanta-konstanta optik yang kompleks digunakan metode Kramers-Kronig. Metode Kramers-Kronig telah umum digunakan untuk menghitung bagian real dari bagian imajiner suatu fungsi atau sebaliknya. Untuk mempermudah perhitungan data yang sangat banyak dan rumit maka akan dilakukan pembuatan program komputasi menggunakan Software IGOR Pro 6.36. 1.2
Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah dijelaskan di atas, maka
permasalahan dalam penelitian ini yaitu bagaimana mensintesis reduced graphene oxide (rGO) dan modifikasi morfologi kedalam bentuk nanofiber serta pengaruh polimer konduktif PEDOT:PSS pada sifat optik nanofiber rGO yang disintesis menggunakan electrospinning. Kajian sifat optik nanaofiber rGO seperti absorpsi optik dan indeks bias masih terbatas, sehingga akan sangat menarik untuk dikaji lebih dalam.
4
1.3
Batasan Masalah Pembahasan dalam penelitian ini hanya dibatasi pada struktur morfologi
nanofiber rGO/PEDOT:PSS yang disintesis menggunakan electrospinning. Parameter electrospinning yang digunakan yaitu tegangan 15 kV, jarak antara tip dan collector 15 cm, ukuran jarum 0,5 mm dan waktu electrospinning 60 detik. Sedangkan sifat optik yang dikaji yaitu absorpsi optik yang terkait dengan indeks bias dan koefisien extinction nanofiber rGO/PEDOT:PSS. Indeks bias kompleks diperoleh dengan analisis Kramers-Kronig menggunakan Software IGOR Pro 6.36.
1.4
Tujuan Penelitian Tujuan yang akan dicapai dalam penelitian ini adalah: 1. Mensintesis reduced graphene oxide (rGO) dari serbuk grafit menggunakan metode Hummer; 2. Mensisntesis
nanofiber
rGO/PEDOT:PSS
menggunakan
electrospinning; 3. Menganalisis sifat optik khususnya indeks bias kompleks dan pengaruh penambahan
PEDOT:PSS
terhadap
indeks
bias
nanofiber
rGO/PEDOT:PSS.
1.5
Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat: 1. Memberikan informasi mengenai sintesis graphene dengan metode Hummer dan sintesis nanofiber rGO/PEDOT:PSS menggunakan electrospinning; 2. Memberikan informasi mengenai sifat optik khususnya absorpsi dan
indeks bias pada nanofiber rGO/PEDOT:PSS.
5
1.6
Sistematika Penulisan Tesis ini ditulis dengan sistematika sebagai berikut : 1. Bab I menjelaskan latar belakang dilakukannya penelitian mengenai sintesis dan karakterisasi sifat optik nanofiber rGO/PEDOT:PSS, rumusan masalah, batasan masalah, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan. 2. Bab II berisikan tinjauan pustaka yang menjelaskan berbagai penelitian terdahulu terkait dengan penelitian yang akan dilakukan. 3. Bab III menjelaskan teori dasar mengenai graphene, polimer konduktif PEDOT:PSS, sifat-sifat optik material, metode electrospinning, serta teknik karakterisasi menggunakan Spektroskopi UV-Vis, Fourier Transform Infrared (FTIR), Spektroskopi Raman, dan Scanning Electron Microscopy (SEM). 4. Bab IV menjelaskan metode penelitian, yang mencakup alat dan bahan
yang digunakan dalam
penelitian, prosedur penelitian,
teknik
karakterisasi dan pengolahan serta analisis data. 5. Bab V menunjukan hasil yang diperoleh dari hasil sintesis dan
pembahasannya. 6. Bab VI menunjukan kesimpulan dari hasil eksperimen serta saran untuk
penelitian berikutnya. Daftar pustaka mencantumkan seluruh pustaka yang diacu dan lampiran berisi data-data yang diperoleh dalam penelitian dan dokumentasi penelitian.
