1
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Penelitian Beberapa bahan penting dalam peralatan elektronik adalah semikonduktor. Kegunaan semikonduktor dalam bidang elektronik antara lain adalah sebagai transistor, resistor, dioda, sel surya dan fotosel. Di samping itu, bahan semikonduktor juga dapat digunakan untuk piranti yang mengeluarkan cahaya, seperti Light Emiting Diode (LED). Sesuai dengan namanya semikonduktor adalah bahan yang memiliki konduktivitas listrik di antara konduktor dan isolator. Semikonduktor dapat berupa unsur maupun seyawa kimia. Semikonduktor yang berupa unsur seperti silikon dan germanium, sedangkan semikonduktor yang berupa senyawa seperti galium arsenida (GaAs). Sekarang ini, teknologi dalam bidang elektronik sudah banyak yang beralih ke nanoteknologi. Produk nanoteknologi tersebut telah berhasil meningkatkan kemampuan dan performa suatu peralatan. Selain itu, ukurannya yang mini dan ringan membuat produk nanoteknologi lebih praktis penggunaan dan penyimpanannya. Seiring dengan perkembangan teknologi yang beralih ke nanoteknologi, maka perlu dilakukan terobosan baru dan penelitian-penelitian untuk mengembangkan bahan baru yang berukuran nanometer yang bisa digunakan dalam nanoteknologi. Salah satu bahan cerdas berskala nano yang sedang dikembangkan sekarang ini adalah Carbon Nanotube (CNT). CNT merupakan allotrop karbon yang berbentuk silinder (tabung), berdiameter nanometer dan memiliki struktur dan sifat elektronik yang unik serta memiliki sifat mekanik yang kuat dan tahan terhadap panas (Saito dkk., 1999). Berdasarkan keunikan dan keunggulan sifatnya, CNT diprediksikan akan menjadi teknologi andalan di masa depan. CNT sangat berpotensi digunakan dalam berbagai alat elektronika seperti sebagai transistor, dioda, kapasitor dan resistor (Bockrath dkk., 1997), (Collins dkk., 1997), (Martel dkk., 1998) (Yu dkk., 2001), (Srivastava dkk., 2001), (Meyyappan dan Srivastava, 2002) dan sebagai media
1
2
penyimpan data (Srivastava dan Menon, 2004). Kemudian CNT juga telah disepakati sebagai bahan cerdas yang sangat berpotensi untuk dikembangkan dan digunakan dalam nanoelektronika sebagai pengganti silikon, hal tersebut telah disepakati dalam International Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS) (Fiori dkk., 2006). Keuntungan penggunaan CNT adalah bisa menghasilkan peralatan yang berukuran mini, ringan namun kuat dan tahan terhadap panas. Salah satu tujuan pengembangan CNT dalam bidang elektronika adalah untuk aplikasi sebagai piranti elektronika seperti dioda, transistor dan resistor. Untuk aplikasi sebagai piranti elektronika tersebut dibutuhkan bahan yang bersifat sebagai semikonduktor, tetapi kenyataannya tidak semua CNT bersifat sebagai semikonduktor, namun ada yang bersifat sebagai konduktor. Hal ini disebabkan karena sifat elektronik CNT sangat ditentukan oleh diameter dan kiralitas CNT. CNT dengan diameter dan kiralitas yang berbeda akan memiliki sifat elektronik yang berbeda pula. Menurut Saito dkk. (1999), secara garis besar ada 3 jenis kiralitas CNT, yaitu armchair, zigzag dan kiral. Dari tiga kelompok tersebut diketahui bahwa CNT yang bersifat semikonduktor hanyalah CNT dengan kiralitas zigzag (n,0) dengan n bukan kelipatan 3 dan CNT kiral (n,m) dengan selisih n dan m bukan merupakan kelipatan 3, sedangkan semua CNT armchair dan sebagian dari zigzag dan kiral bersifat sebagai konduktor. Dari hasil eksperimen yang dilakukan MinFeng dkk. (2001), Qian dkk. (2003), Sadeghpour dan Granger (2004) dan Yuki dkk. (2010) telah dibuktikan bahwa CNT ada yang bersifat sebagai semikonduktor dan ada juga yang bersifat sebagai konduktor. Sampai saat ini belum ditemukan cara untuk mengontrol pemilihan kiralitas dalam sintesis CNT, sehingga dalam sintesis CNT akan dihasilkan CNT dengan kiralitas yang beragam, dan dengan sifat elektronik yang berbeda dari yang diharapkan (yang diharapkan untuk piranti elektronika adalah CNT semikonduktor, sedangkan yang dihasilkan CNT konduktor). Jika hal ini terjadi maka bisa menjadi hambatan dalam penggunaan CNT sebagai piranti dalam bidang elektronika.
2
3
Dalam upaya pengembangan dan peningkatan aplikasi CNT dalam bidang elektronika, sangat diperlukan pengontrolan maupun modifikasi terhadap sifat listrik CNT tersebut. Pengontrolan dan modifikasi ini bertujuan untuk menghasilkan CNT yang memiliki konduktivitas ataupun celah energi yang sesuai dengan kebutuhan. Upaya tersebut dapat dilakukan dengan doping atau memasukkan “bahan asing” yang disebut dopan ke dalam sistem CNT (Rochefort dan Avouris, 2000). Choi dkk. (2005) telah berhasil mensintesis CNT ter-doping nitrogen melalui pirolisis menggunakan FePc, CoPc dan NiPc pada temperatur 750 – 1000 0C. Dari hasil identifikasi struktur CNT yang di-doping dengan nitrogen menggunakan X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) diketahui bahwa temperatur eksperimen dapat mempengaruhi diameter CNT yang disintesis. Hasil identifikasi dengan XPS tersebut juga memberikan informasi bahwa ada tiga kemungkinan struktur nitrogen dalam CNT yaitu struktur pyridine-like, graphitelike dan molekul N2. Terbentuknya salah satu, atau dua maupun ketiga jenis struktur nitrogen tersebut dipengaruhi oleh kondisi eksperimen seperti temperatur, jenis katalis dan konsentrasi nitrogen yang dialirkan. Yang dkk. (2005) juga telah melakukan sintesis CNT ter-doping nitrogen dengan metode deposisi uap kimia atau lebih dikenal dengan metoda chemical vapor deposition (CVD) menggunakan campuran gas C2 H2, NH3 dan N2. Hasil karakterisasi
struktur
dengan
transmission
electron
microscopy
(TEM)
menemukan struktur pyridine-like dan graphite-like yang terdapat bersama dalam CNT ter-doping nitrogen. Hasil eksperimen tersebut juga menyatakan bahwa peningkatan kecepatan aliran gas N2 selama sintesis CNT berpengaruh terhadap perbandingan jumlah pyridine-like dan graphite-like yang terbentuk. Peningkatan kecepatan aliran N2 menyebabkan peningkatan struktur pyridine-like meningkat lebih banyak dibandingkan struktur graphite-like. Kemudian berdasarkan pengujian dengan XPS terhadap struktur CNT ter-doping tersebut menunjukkan adanya perbedaan density of state (DOS) antara CNT murni dan CNT ter-doping nitrogen. Perbedaan DOS tersebut akan menyebabkan perbedaan konduktivitas CNT.
3
terhadap
4
Ekperimen yang dilakukan oleh Choi dkk. (2005) dan Yang dkk. (2005) belum menjelaskan pengaruh masing-masing struktur pyridine-like dan graphitelike terhadap perubahan konduktivitas dan celah energi CNT. Padahal informasi dan pemahaman tentang hal tersebut sangat dibutuhkan dalam rangka sintesis CNT agar dihasilkan CNT yang sesuai dengan kebutuhan. Salah satu upaya yang dapat dilakukan untuk memperoleh informasi tersebut adalah dengan melakukan kajian teoritis melalui pemodelan dan simulasi molekul menggunakan aplikasi kimia komputasi, seperti yang dilakukan dalam penelitian yang berjudul ”Pemodelan Doping Nitrogen Dalam Carbon Nanotube (6,0) dengan Teori Fungsi Kerapatan” ini. Dalam penelitian ini dilakukan pemodelan doping nitrogen pada CNT (6,0) membentuk struktur graphite-like dan pyridine-like untuk menyelidiki pengaruhnya terhadap struktur dan sifat elektronik CNT. 1.2 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk memodelkan dan menyelidiki pengaruh: a. panjang tabung terhadap celah energi CNT. b. diameter dan kiralitas tabung terhadap celah energi CNT. c. doping nitrogen pada CNT (6,0) terhadap parameter struktur (panjang ikatan, momen dipol, diameter dan energi kohesif) graphite-like
dan
pyridine-like. d. doping nitrogen pada CNT (6,0) terhadap sifat elektronik (density of state/ DOS, celah energi, energi Fermi, potensial ionisasi, affinitas elektron, hardness, energi vibrasi dan eksitasi elektron) dalam graphite-like dan pyridine-like. e. konsentrasi dopan nitrogen dalam CNT terhadap celah energi CNT (6,0) ter-doping nitrogen yang membentuk struktur graphite-like dan pyridinelike. 1.3 Manfaat penelitian Model yang dihasilkan dari penelitian ini dapat memberikan informasi dan konsep-konsep teoritik guna menerangkan dan memprediksi fenomena4
5
fenomena tentang CNT (6,0) yang di-doping dengan nitrogen, khususnya tentang pengaruh doping nitrogen pada CNT (6,0) terhadap struktur dan sifat elektronik CNT yang membentuk struktur pyridine-like dan graphite-like. Informasi yang dihasilkan dari penelitian ini sangat bermanfaat untuk para eksperimentalis yang akan melakukan sintesis CNT ter-doping nitrogen di laboratorium. Berdasarkan informasi tersebut para eksperimentalis dapat memprediksi arah eksperimental yang akan dilakukan dan mengatur kondisi eksperimen sesuai dengan struktur yang akan disintesis. Jadi, dengan adanya informasi tersebut eksperimen dapat dilakukan dengan langkah yang lebih terarah dan inovatif (tidak menggunakan cara trial and error), sehingga dapat mengurangi waktu dan biaya maupun tenaga yang dikorbankan dalam eksperimen tersebut. Jadi, dengan adanya informasi yang dihasilkan dari penelitian ini, maka efisiensi dan efektivitas dalam upaya modifikasi struktur dan sifat CNT dapat ditingkatkan. Kemudian secara umum penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi positif bagi perkembangan ilmu pengetahuan secara umum. 1.4 Keaslian dan Kebaruan Penelitian Sejak CNT ditemukan pada tahun 1991 hingga sekarang ini, penelitian secara eksperimental dan teoritis mengenai CNT semakin sering dilakukan. Untuk eksperimen diantaranya telah dilakukan oleh Choi dkk. (2005), Yang dkk. (2005), Panchakarla dkk. (2007), Toma dkk. (2011) dan Yann dkk. (2013). Sementara untuk pemodelan secara teoritis diantaranya telah dilaporkan oleh Kotakoski dkk. (2005), Liu dkk. (2006), Pablo (2008), Yuki dkk. (2010), Ghasemi dkk. (2010), Masood Hamadanian dkk. (2011), Babanegad dkk. (2012) dan Yann dkk. (2013). Sebelumnya Choi dkk. (2005), Yang dkk. (2005), Panchakarla dkk. (2007), Toma dkk (2011), Yann dkk. (2013) telah berhasil mensintesis CNT terdoping nitrogen. Dari hasil eksperimen yang mereka lakukan diketahui bahwa struktur CNT ter-doping nitrogen berupa graphite-like dan pyridine-like. Ada informasi penting yang belum mereka jelaskan tentang pengaruh doping nitrogen terhadap struktur dan sifat elektronik CNT, padahal informasi dan pemahaman tentang hal tersebut sangat dibutuhkan dalam rangka sintesis CNT agar dihasilkan
5
6
CNT yang sesuai dengan kebutuhan. Untuk memperoleh informasi tersebut, maka penulis melakukan penelitian yang berjudul “Pemodelan Doping Nitrogen dalam CNT (6,0) Berdasarkan Teori Fungsional Kerapatan” ini, guna mempelajari pengaruh doping nitrogen terhadap struktur dan sifat elektronik CNT. Choi dkk. (2005) belum menjelaskan tentang pengaruh dopan nitrogen terhadap struktur dan sifat elektronik CNT. Untuk memperoleh informasi tentang hal tersebut, maka dalam penelitian ini akan dilakukan pemodelan untuk mempelajari pengaruh doping nitrogen pada CNT (6,0) terhadap struktur (panjang dan sudut ikatan, diameter, momen dipol dan energi kohesif) graphite-like dan pyridine-like. Yang dkk. (2005) telah berhasil melakukan eksperimen untuk menjelaskan pengaruh doping nitrogen terhadap sifat elektronik CNT. Hasil eksperimennya menunjukkan bahwa doping nitrogen meningkatkan perbandingan pita D dan G serta pergeseran puncak spektrum Raman ke arah bilangan gelombang yang lebih tinggi (energi lebih tinggi). Doping nitrogen menyebabkan penurunan DOS, namun tidak dijelaskan apakah pyridine-like ataukah graphite-like yang telah menyebabkan penurunan DOS tersebut. Dalam rangka memberikan informasi tentang nilai DOS CNT pyridine-like dan graphite-like tersebut, maka dalam penelitian ini akan dilakukan perhitungan DOS untuk CNT pyridine-like dan graphite-like. Di samping perhitungan DOS, dalam penelitian ini juga akan dilakukan perhitungan energi HOMO, energi LUMO, celah energi, energi Fermi, potensial ionisasi, affinitas elektron, hardness dan energi vibrasi serta eksitasi elektron untuk menentukan sifat elektronik CNT ter-doping nitrogen (pyridinelike dan graphite-like). Panchakarla dkk. (2007) juga telah berhasil melakukan analisis TEM terhadap DWCNT ter-doping nitrogen dengan struktur graphite-like dan pyridinelike,
dan mereka menyatakan bahwa doping nitrogen pada DWCNT
meningkatkan celah energi CNT tersebut, pelebaran celah energi pada graphitelike lebih besar dari pada pyridine-like. Eksperimen yang dilakukan Panchakarla dan kawan-kawannya terbatas untuk DWCNT atau CNT berdinding ganda, dan tidak memberikan informasi untuk CNT berdinding tunggal (SWCNT). Dalam
6
7
rangka memberikan informasi tentang pengaruh doping nitrogen terhadap sifat elektronik SWCNT, maka dalam penelitian ini penulis akan melakukan pemodelan doping nitrogen pada SWCNT (6,0). Toma dkk. (2011) telah melakukan analisis dengan spektroskopi Raman, mikroskopi elektron,
energy-loss spectroscopy
(ELS)
dan
spektroskopi
fotoelektron X-Ray, dari hasil analisisnya diketahui bahwa doping nitrogen pada CNT meningkatkan resistansi (menurunkan konduktivitas listrik) CNT tersebut. Mereka tidak melaporkan diameter CNT yang disintesis, dan juga tidak melaporkan pengaruh diameter CNT terhadap konduktivitas listrik (celah energi) CNT. Untuk memberikan informasi tentang pengaruh diameter terhadap konduktivitas listrik CNT, maka dalam penelitian ini penulis akan memodelkan pengaruh diameter CNT terhadap celah energi CNT. Yann dkk. (2013) melakukan analisis melalui scanning tunneling microscopy (STM) dan scanning tunneling spectroscopy (STS) untuk CNT terdoping nitrogen dengan diameter 11 Å, dan menemukan bahwa CNT tersebut mempunyai konduktivitas yang berbeda (ada yang konduktor dan ada yang semikonduktor). Eksperimen yang dilakukan Yann dan kawan-kawannya hanya menjelaskan pengaruh doping nitrogen pada CNT yang berdiameter besar (11 Å), dan tidak menjelaskan pengaruh doping nitrogen pada CNT yang berdiameter kecil. Untuk menjelaskan pengaruh doping nitrogen pada CNT yang berdiameter kecil, maka penulis akan melakukan pemodelan doping nitrogen pada CNT yang berdiameter kecil (CNT (6,0) yang memiliki diameter sekitar 4,8 Å) Pemodelan CNT berdasarkan kimia komputasi telah banyak dilakukan sebelumnya, diantaranya yang dilakukan oleh Kotakoski dkk. (2005), Liu dkk. (2006) dan Yuki dkk. (2010). Kotakoski dkk. (2005) telah melakukan pemodelan doping N dan B pada CNT (10,10) dan (5,5) berdasarkan teori DFT dan hasil pemodelan mereka menyatakan bahwa doping B dan N mempengaruhi kemurnian dan bentuk ikatan atom karbon yang menyusun CNT. Namun pemodelan yang dilakukan Kotakoski dan kawan-kawannya terbatas untuk CNT dengan diameter besar dan tidak memberikan informasi untuk CNT dengan diameter kecil (dalam naskah ini CNT dengan diameter kurang dari 6 Å dikatakan mempunyai diameter
7
8
kecil, dan CNT dengan diameter lebih dari 6 Å dikatakan mempunyai diameter besar). Di samping itu, Kotakoski dkk. juga tidak menjelaskan pengaruh doping terhadap sifat elektronik CNT. Untuk memberikan informasi tentang pengaruh doping nitrogen terhadap sifat elektronik CNT yang memiliki diameter kecil maka dalam penelitian ini penulis akan melakukan pemodelan doping nitrogen pada CNT (6,0) yang memiliki diameter kecil (sekitar 4,8 Å) dan menyelidiki pengaruhnya terhadap sifat elektronik CNT. Liu dkk. (2006) juga telah memodelkan CNT ter-doping nitrogen (substitusi doping) melalui reaksi kimia antara SWCNT (5,5) yang mengalami defect/ cacat (51-DB defect) dengan nitrogen oksida. Dalam pemodelan tersebut Liu dkk. menggunakan metode Quantum Mechanic - Molecular Mechanic (QMMM) (B3LYP/6-31G:UFF) dengan menerapkan ONIOM, yang berarti tidak semua elektron dalam sistem CNT diperhitungkan (elektron tidak diperhitungkan untuk daerah MM). Dalam penelitian ini, penulis akan melakukan pemodelan dengan memperhitungkan semua elektron dalam sistem. Jadi, berdasarkan uraian di atas, dapat dinyatakan kebaruan dalam penelitian ini adalah dari jenis CNT yang dimodelkan, baik dari segi jumlah dinding, diameter dan kiralitasnya.
8
