REKAYASA BAHAN PARTIKEL NANO KARBON UNTUK APLIKASI PIRANTI ENERGI DAN SENSOR

Rekayasa bahan partikel nanD karbonuntuk

aplikasi piranti energi dan sensor (Dr. Salim Mustofa)

REKAYASA BAHAN PARTIKEL NANO KARBON UNTUK APLIKASI PIRANTI ENERGI DAN SENSOR Salim Mustafa Pusat Teknologi

Bahan

Industri

Nuklir,

BATAN,

Serpong

e-mail: [email protected]

ABSTRAK REKAYASA

BAHAN

PARTIKEL

NANO KARBON

UNTUK

APLIKASI

PIRANTI

ENERGI

DAN SENSOR. Rekayasa Bahan Partikel Nano Karbon untuk Aplikasi Piranti Energi dan Sensor telah dilakukan di PTBIN - BATAN. Bahan karbon adalah bahan yang sangat cocok dan unggul dipakai sebagai elektrode pada sebuah piranti elektonik untuk aplikasi piranti penyimpan energi atau sensor, karena bahan ini relatif tidak terlalu mahal dan bahan karbon memiliki luas permukaan yang sangat besar, yaitu kurang lebih 1000 m2/g. Sebagai persiapan awal, telah dilakukan upaya pembuatan bahan karbon berstruktur nano menggunakan teknik High Energy Milling (HEM) dengan parameter waktu milling. Hasil XRD menunjukkan bahwa karbon hasil milling masih didominasi oleh fase heksagonal, yaitu puncak karbon C (002) dan C (004). Dari observasi SEM diketahui bahwa ukuran serbuk hasil milling adalah 670-70 nm (ukuran mengecil seiring bertambahnya waktu milling), dengan demikian terbukti bahwa proses milling mampu menghasilkan serbuk grafit berukuran nano. Pengukuran porositas menunjukkan surface area dari serbuk mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan waktu milling dan mengalami puncaknya disaat milling 18 jam. Nilai kapasitan sampai dengan waktu milling 18 jam mengalami peningkatan, namun setelah itu turun drastis seiring bertambahnya waktu milling, selaras dengan kecenderungan nilai porositas. Setelah itu, serbuk karbon berukuran nano dijadikan target untuk pembuatan lapisan tipis bahan karbon. Di tempat yang terpisah, telah dilakukan pula penelitian uji coba pembuatan dielektrik memakai lapisan tipis BSTO dengan metode PLD, yang hasilnya adalah mampu didapatkannya lapisan dielektrik yang cukup tipis yaitu sekitar 400 nm, serta morfologinya halus merata, memiliki nilai dielektrik 10 kali lipat lebih besar. Artinya penerapan lapisan tipis ke dalam piranti elektrik memberikan harapan besar untuk dapat meningkatkan properti elektriknya. Sebagai ganti dari PLD, pad a penelitian ini untuk pembuatan lapisan tipis digunakan teknik sputtering yang masih satu jenis dengan PLD yaitu metode PVD. Substrat yang dipakai adalah Substrat Si (100), temperatur substrat 100°C - 300°C, target yang dipakai adalah pelet karbon hasil milling dengan HEM selama 25 jam dan lama proses sputtering 30 menit. Hasil SEM memperlihatkan lapisan tipis memiliki morfologi homogen, dengan tingkat kepadatan yang cukup tinggi, serta tidak banyak ditemukan droplet partikel yang merupqkan salah satu permasalahan dari metode sputtering ataupun metode PVD lainnya. Selain itu pemanasa'n pada temperatur 300°C memberikan hasil morfologi yang sangat merata dan homogen dibandingkan temperatur lainnya. Namun lama proses sputtering 30 menit belum mencukupi ketebalannya dan struktumya juga masih sedikit rapuh, sehingga perlu penelitian lebih lanjut. Di bagian akhir, telah dilakukan juga penyelidikan efek penambahan rasio CNT terhadap sifat elektrik bahan grafit karbon yang didoping CNT. Rasio dopingnya adalah 0-0,20 %berat. Hasilnya menunjukkan nilai dielektrik campuran FeC-CNT mencapai maksimal pad a rasio %berat CNT 0,05, setelah itu nilainya cenderung turun, seiring dengan peningkatan penambahan ras~o %berat CNT. Kata kunci: Karbon, HEM, PLD, PVD, sputtering, porositas, nilai kapasitan, CNT

ABSTRACT RESEARCH OF CARBON NANO PARTICLE FOR THE APPLICATION OF ENERGY AND SENSOR DEVICE. Research of Carbon Nano Particle for the Application of Energy and Sensor Device was done in PTBIN - BATAN. The carbon material was very appropriate and superior material for electrode at a device electronic for the application of energy and sensor devices; because this material is relative not too expensive and the carbon material has a very big surface area, which is approximately 1000 m2/g. As early preparations, the production of nano structured carbon material used the High Energy Milling (HEM) technique with milling as a parameter was carried out. Result of XRD showed that milled carbon was still dominated by the phase of hexagonal, which is the peak of C carbon (002) and C (004). From SEM observation, it was known that the measurement of milled was 670-70 nm (the measurement became smaller as the increasing of milling time), therefore was proven that the process milling could produce graphite with nano size. The measurement of porosity showed the surface area of milled powder raised with the increasing of milling time, and maximum at the milling time of 18 hours. The capacitance increased until the milling time of 18 hours, but after that descended drastic with the

425

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti

ISSN 2087-8079

increasing of milling increase. This is matching with the trend of porosity changes. In the other hand, the research on the production of dielectric used BSTO thin film by PLD method was also carried out. A quite thin of dielectric was obtained; approximately 400 nm, as well as good morphology and flat. The thin film had the dielectric value of 10 times than commercially capacitor. It means that the application of thin film to the electric device gives big hope to be able to increase the electric property. As the substitute from PLD, in this research for the production of the thin film, the technique sputtering was used. This technique is PVD method, same kind with PLD. The Si substrate (100) was used as substrate, the temperature of substrate was 100°C - 300°C, carbon compaction was used as target of sputtering, and the time of sputtering was 30 minutes. SEM results showed that the thin film had homogeneous morphology, with the level of quite high density, as well as was not often found droplet that was one of the problems of sputtering or other PVD method. Moreover, at the temperature of 300°C gave a result of very equitable and homogeneous morphology compared with other temperature. However 30 minutes of sputtering 30 minutes did not yet give enough thickness and the structure was also still somewhat fragile, and need further research. In the end part, the effect of increasing in the CNT ratio towards the electric characteristics was also carried out. The ratio doping of CNT was 0-0.20 weight%. The results showed that the dielectric value of FeC-CNT reached maximal in weight ratio of 0.05%, after that the value tended to descend, with the increasing of weight ratio of % CNT. Key words: Carbon, HEM, PLD, PVD, sputtering, porosity, capacitance value, CNT

BABI

PENDAHULUAN

Beberapa tahun belakangan ini kapasitor super telah menarik perhatian dunia sebagai sumber penyimpan energi berkapasitas tinggi di dalam aplikasi-aplikasi piranti yang membutuhkan energi kapasitas tinggi dan atau membutuhkan peri ode siklus life time yang cukup panjang, contohnya dalam order 100.000 siklus (cycles). Kapasitor super, yang juga dikenal dengan sebutan Ultra kapasitor atau elektrokimia kapasitor berlapis dua (Electrochemical Double-Layer Capacitors, selanjutnya disingkat dengan EDLC), merupakan suatu piranti yang akan menyimpan energi melalui pembentukan elektrolit berlapis dua (electrolytic double layer) di antar muka (interface) permukaan area elektrode yang mengandung karbon tinggi secara spesifik. Kapasitor super merupakan kapasitor tipe baru berkapasitan tinggi, dimana piranti ini memiliki nilai kapasitas menyimpan energi secara elektrik yang tinggi bila dibandingkan dengan kapasitor-kapasitor konvensional yang lainnya. Berbeda dengan kapasitor konvensional yang pada sebagian besar memiliki nilai kapasitan dalam order satuan mikro farad, piranti kapasitor super memiliki nilai kapasitan dalam order satuan Farad ~artinya memiliki kapasitas 1000 kali lebih besar dibanding kapasitor konvensional) 1-). Nilai kapasitan dari sebuah kapasitor pad a prinsipnya dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut ini :

C = Ae/d

(1.1 )

A = luas plat = permitivitas udara/media o = jarak antar plat

e

Hal ini menunjukkan bahwa nilai kapasitan dari sebuah piranti penyimpan energi dapat ditingkatkan, baik melalui peningkatan luas plat atau bisa juga dengan melalui pendekatan jarak antar plat. Perluasan plat dan pendekatan jarak antar plat memang secara teori dapat dilakukan, namun ada keterbatasannya dimana pada akhirnya akan membuat nilai kapasitan menjadi 0, artinya malah akan menimbulkan hubungan singkat dan membuat tidak ada energi yang akan tersimpan. Dengan adanya keterbatasan ini, lahirlah suatu pemikiran tentang penerapan kapasitor super berlapis dua. Kapasitor super, seperti diilustrasikan pada Gambar 1, tersusun atas 2 (dua) buah elektrode, sebuah separator dan sebuah elektrolit. Elektrode itu sendiri tersusun lagi atas 2 (dua) bagian, yaitu bagian pertama terbuat dari bahan logam (bagian yang memiliki sifat penghantar tinggi), dan bagian yang kedua terbuat dari bahan aktif (bagian dengan luas permukaan besar). Kedua elektrode ini dipisahkan oleh sebuah lapisan membran yang disebut dengan separator. Fungsi dari separator ini adalah untuk memberi keleluasaan bergerak kepada ion pengisi, dan saat yang bersamaan juga mencegah terjadinya penghataran secara elektrik. Keseluruhan komponen ini ditata ke dalam satu bentuk tabung atau rektangular, dan disimpan dalam sebuah kemasan. Bagian elektrolit

426

Rekayasa bahan partikel nanD karbonuntuk aplikasi piranti energi dan sensor (Dr. Salim Mustofa)

dapat terbuat dari bahan padat, organik atau cairan. Metode kerja sistem tegangan sebuah kapasitor super ditentukan melalui penguraian tegangan dari elektrolit bergantung kepada suhu lingkungan, densitas arus dan life time yang dibutuhkan. Elektrolit

dari dan

Pemisah

+

Elektrode Gambar 1. Skematik ilustrasi sebuah kapasitor super

4)

Untuk persiapan elektrode tipe ini, bahan karbon merupakan bahan yang sangat pas dan tepat dikarenakan bahan ini relatif tidak terlalu mahal dan bahan karbon memiliki luas permukaan yang sangat besar, yaitu kurang lebih 1000 m2jg. Apabila kita menggunakan kapasitor super kira-kira seukuran kotak, diperkirakan kita akan bisa mendapatkan nilai kapasitan sebesar 100 F atau bahkan lebih. Sewaktu dilakukan proses pengisian (charging), ion positif (kation) akan terakumulasi di elektrode negative and ion negative (anion) akan terakumulasi di elektrode positif, dan seterusnya proses ini akan berjalan secara berurutan. Proses pemisahan ion di saat proses pengisian (charging) dan pengosongan (discharging) berlangsung sangat cepat, dan hal inilah yang secara prinsip menjadi alasan dari potensi suatu kapasitor super dapat memiliki densitas kapasiti tinggi. Potensi pemanfaatan karbon itu sendiri di sektor elektronik telah dikaji dan diteliti selama lebih dari 50 tahun ini, namun selama satu dekade belakangan ini, dan khususnya selama 5 tahun belakangan ini, pertumbuhan dari karbon telah berkembang begitu pesat, sehingga menjadikan bahan karbon sebagai salah satu unsur bahan dimana penerapannya sangat ditunggu-tunggu oleh para kalangan dunia perindustrian. Yang melatarbelakangi hal ini adalah dengan meningkatnya permintaan terhadap piranti penyimpan energi berkapasitas tinggi, sehingga membuat para peneliti dan pengembang serta dunia industri berusaha untuk melakukan terhadap bahan karbon seperti contohnya tabung nanD karbon (Carbon Nano Tubes, selanjutnya disingkat dengan CNT) sebagai bahan yang sangat berpotensi untuk mengisi momentum tersebut 1-3). Seperti yang telah dijelaskan pada persamaan (1.1), nilai kapasitan penyimpanan energi berbanding lurus dengan luas permukaan elektrode yang dipakai, dimana pad a umumnya dipakai bahan inert elektro kimia yang memiliki luas permukaan yang besar. Sedangkan sebagai bahan elektrode biasa digunakan oksida logam, karbon nanoporous (carbon nanoporous) dan bahan grafit (graphite). Elektrode berbasis karbon dapat dibuat dari aktivasi karbon, serat karbon, karbon hitam (carbon black), karbon gel atau meso karbon. Elektrode dari bahan karbon memiliki luas permukaan yang sangat besar (kurang lebih setara 3000 m2jg). Pada penelitian ini, penulis mencoba untuk mencari terobosan menyiapkan elektrode dari bahan grafit komersial, dan dari bahan CNT yang dipersiapkan memakai teknologi baru High Energy Milling (selanjutnya disingkat dengan HEM), serta mencoba pula memanfaatkan bahan karbon alam yang berkarakteristik karbon nanoporous sehingga pada akhirnya akan dapat diperoleh suatu teknik pembuatan bahan karbon untuk aplikasi pembuatan elektrode secara efisien dan ekonomis. Karbon nanoporous merupakan bahan karbon yang secara luas dipakai di berbagai aplikasi mulai dari sebagai bahan penyerap dan

427


ISSN 2087-8079

elektrode sampai dengan membran anorganik karena memiliki properti penyerapan yang kuat dan luas permukaan yang besar 1-3).

BAB II TEORI

2.1.

Bahan nano karbon pembuat elektrode

2.1.1.

Karbon nanoporous Bahan karbon nanoporous

memiliki sifat-sifat

berikut ini, yang mana menjadikan

bahan ini sebagai salah satu bahan terbaik untuk aplikasi elektrode p,ada kapasitor super. 1. Memiliki luas permukaan spesifik yang besar (1000-2000 m Igm). Luas permukaan yang besar ini dapat dioptimalkan untuk menyimpan ion-ion sehingga pada akhirnya diperoleh nilai kapasitan yang tinggi. 2. Memiliki distribusi ukuran pori-pori yang kecil. 3. Elektrode dari bahan karbon nanoporous dapat digunakan untuk kapasitor super berbasis elektrolit organik. lon-ion dari elektrolit organik lebih besar dan membutuhkan pori-pori yang lebih besar guna me nahan ion-ion ini. Karbon nanoporous dapat diatur pori-porinya menjadi berukuran yang berbeda, sehingga menjadikan elektrolit terbuat dari bahan karbon nanD porous dapat dipakai ketika kita sedang memanfaatkan elektrolit organik, dan inilah yang merupakan keuntungan dimana kita bisa menggunakan elektrolit organik yang memiliki kelebihan penghantaran tegangan tinggi. 4. Elektrode karbon dengan berbagai ukuran pori-pori terdistribusi di dalamnya memiliki potensi dikembangkan sebagai elektrolit dengan lingkup nilai yang luas. 5. Penyimpan energi tinggi dan densitas tinggi. Nilai energi yang disimpan di dalam kapasitor mengikuti persamaan 0.5CY2 (dimana C adalah nilai kapasitan dalam satuan Farad dan Y adalah tegangan dalam satuan volt). Karena mampu menyimpan energi tinggi, kapasitor pada prinsipnya dapat digunakan sebagai piranti penyimpan energi (contohnya dipakai untuk menyimpan 1/10 energi di dalam baterai yang dapat diisi ulang). 6. Kapasitor super yang memiliki siklus isi dan pengosongan secara cepat. Kapasitor super berbasis karbon nanD porous didentifikasi dan dikarakterisasi melalui kekuatan densitas energi tingginya. Densitas energi ini digunakan untuk membandingkan seberapa cepat piranti ini dapat menyediakan energi. 7. Lifetime yang panjang. Elektrode berbasis karbon nanoporous memiliki jangka usia pakai (lifetime) yang panjang (kurang lebih 1 000000 siklus). 2.1.2.

Tabung Nano Karbon (CNT)

Tabung Nano Karbon (CNT), seperti yang telah kita ketahui bersama, telah menjadi salah satu bahan yang paling banyak diminati oleh para peneliti di seluruh dunia sejak diketemukan pertama kali pada tahun 1991 oleh lijima 5-7). CNT murni memiliki karakteristik yang sangat unggul, luas permukaan untuk menyimpan energi yang sangat besar yaitu berkisar 120-400 m2/g (Gambar 2-kanan). Hal ini karena didukung oleh karakter mesoporous CNT yang sangat tinggi yang tersusun secara entanglement dan atau juga didukung dengan keberadaan kanal sentral (Gambar 2-kiri).

428


Gambar 2. lIustrasi keteraturan struktur CNT dan properti elektriknya

5-7)

Diketahui bahwa dengan semakin besar proses grafitisasi bahan karbon tersebut, maka akan semakin rendah nilai kapasitannya. Selain dari rendahnya nilai kapasitan spesifik dari CNT, elektrode yang terbuat dari CNT menunjukkan nilai kapasitan sebesar 80 Fig. Nilai ini sedikit lebih rendah bila dibandingkan dengan nilai kapasitan dari elektrode berbasis karbon nanoporous, namun para peneliti masih sangat berharap besar CNT akan dapat memberikan nilai kapasitan yagn lebih besar lagi, mengingat bahwa CNT memiliki luas permukaan spesifik yang besar, yaitu 400 m2/g. Hal ini menunjukkan bahwa kemungkinan rasio luas permukaan yang bisa digunakan untuk menyimpan energi dari CNT adalah lebih besar dibandingkan dengan bahan karbon nanoporous. Pada penelitian ini, dengan tujuan untuk meningkatkan nilai kapasitan dari kapasitor super berbasis CNT, kami dalam perencanaannya juga merancang untuk menambahkan unsur-unsur aditif menggunakan metode ion implantasi, seperti yang telah dilaporkan oleh beberapa peneliti bahwa penambahan unsur-unsur oksida atau yang lainnya dapat meningkatkan luas permukaan dari elektrode. Tabel 1 di bawah menunjukkan perbandingan elektrode berbasis bahan karbon nanoporous dan tabung nano. Tabel1.

Perbandingan elektrode berbasis bahan karbon Nanoporous dan Tabung Nano2)

terkoneksi memiliki karakter 120-400 yang atau karena lebih dan Mahal juga (Karena Tinggi mesoporous Bahan Tabung Nano Karbon mikro dengan porous entanglement 130 Fig Sedang Rendah (80 sentral Fig dalam bentuk elektrolit cair, keberadaan canalnya) dan dapat ditingkatkan sampai dalam tahap penelitian Bahan Karbon daripada Nanoporous engaktifkan elektrolit organik) fungsi tabung nya) nanoMurah i berfungsi sebagai elektrode m2/g) (Fig) fik Tinggi (320 Fig dalam bentuk elektrolit Kecil (banyak lubang (pores) tidak cair, bisa Sekarang sedang digunakan 1000-2000

2.2.

High Energy Milling (HEM)

Penggunaan HEM untuk mensintesa serbuk keramik, serbuk komposit dan serbuk lainnya telah banyak dilaporkan di dalam beberapa literatur 8-15). Karakteristik penting dari serbuk yang diperoleh adalah meliputi ukuran kristal yang kecil, nilai luas permukaan spesifik

429


ISSN 2087-8079

yang tinggi dan terbentuknya fase amort, sebagai konsekuensi dari proses milling yang telah dilakukan. Karakteristik-karateristik tersebut juga saat ini dapat diperoleh saat HEM diterapkan pada serbuk yang memiliki fase tunggal. Untuk bahan-bahan keropos yang mirip dengan bahan karbon seperti alumina, proses penghancuran terhadap partikel utama diperkirakan akan mendominasi awal dibanding proses deformasi dan penggabungan partikel (forging) yang muncul pada proses paduan mekanik (mechanical alloying), dan juga akan menghasilkan nanD stuktur partikel dan partikel yang terkristalisasi. 2.2.1.

HEM dan tahapan tipikalnya

Planetary ball milling, vibratory milling dan ball milling termasuk di dalamnya HEM adalah metode milling yang paling banyak dipakai di Laboratorium. Di dalam sebuah milling jenis planetary ball, seperti diperlihatkan pada Gambar 3, wadah dilengkapi disc bears untuk rotasi, yang akan memutar ke arah yang berlawanan. Kecepatan rotasinya berada dalam order beberapa ratus rpm. Lama durasi proses milling pada umumnya berkisar antara beberapa ratus - beberapa puluh jam untuk milling jenis HEM. Serbuk yang akan dicampur, dimasukkan ke dalam wadah dalam jumlah proporsional sesuai kebutuhan, dicampur bersama dengan bola-bola kecil yang terbuat dari baja keras dan diselubungi oleh tungsten carbide, zirconia dan material lainnya. Jumlah bola yang dipakai bergantung kepada bahan yang akan dimilling dan volume wadah. Sedangkan untuk wadah untuk sendiri, pad a umumnya dilingkupi di dalam sebuah kotak glove dibawah kondisi beberapa jenis atmosphere, seperti gas argon, nitrogen, udara, atau di bawah kondisi vakum.

Besi baja Fe dan Grafit Gambar 3. Skematik diagram sebuah proses milling

•

Namun adakalanya gas nitrogen berpotensi bereaksi dengan serbuk yang ada di bagian dasar untuk membentuk interstitial solid solution atau senyawa nitrida. Rasio berat serbuk terhadap bola biasanya berkisar 1/5 sampai 1/50. Wadah diisi serbuk kurang lebih 50% penuh, lalu digoyang dengan kuat oleh "high energy' milling untuk menghasilkan tumbukan antar bola atau antara wadah dan bola dengan kecepatan impak berkisar beberapa mls dan dengan frekuensi goncangan berkisar beberapa Hz. Zat organik untuk mengaktifkan permukaan adakalanya ditambahkan ke serbuk untuk mengoptimalkan keseimbangan antara pelelehan (welding) dan penghancuran (fracturing). Namun adakalanya zat ini berpotensi meningkatkan kontaminasi yang merugikan dasar serbuk terhadap udara karbon dan oksigen. 2.2.2.

Transformasi panas di dalam HEM

Pengulangan proses penghancuran dan pelelehan partikel serbuk selama tumbukan menimbulkan permasalahan yang perlu diganti secara permanen antara proses tersebut dan elemen yang dicampurkan pada sebuah cara tranformasi jenis pembakaran (baker) 16). Pada proses paduan mekanik dari campuran serbuk yang dapat diubah bentuknya, partikel-partikel tersebut akan mengalami beberapa deformasi plastik yang mendominasi lebih dari kekuatan mekanik serbuk itu.

430


Tahapan utama dari proses di dalam HEM adalah sebagai berikut : 1) Pencampuran dan deformasi plastik partikel serbuk yang diikuti oleh penghancuran dan pelelehan, yang memberikan hasil ke pembentukan partikel komposit berstruktur mikro terlapis (layered microstructure). 2) Dominansi proses pelelehan, orientasi pelelehan secara random dan pembentukan partikel equiaxed. Struktur lamellar menjadi halus dan halus serta dan tergulung. 3) Proses penstabilan kondisi yang ditandai dengan keseimbangan yang terbentuk antara penghancuran dan pelelehan dari partikel yang telah menjadi keras dan tegang, dengan deformasi plastik memainkan peran yang dapat diabaikan, mengarah ke pembentukan partikel menjadi berukuran lebih stabil. Kekerasan yang meningkat pada serbuk mungkin dapat menyebabkan meningkatnya kontaminasi ke milling tools, dan yang lebih penting lagi adalah turunnya energi yang ditransferkan dari bola ke serbuk 17). Pada penelitian ini, penulis mencoba untuk mencari terobosan menyiapkan elektrode memakai teknologi HEM, serta mencoba pula memanfaatkan bahan karbon alam yang berkarakteristik karbon nanoporous sehingga pada akhirnya akan dapat diperoleh suatu teknik pembuatan bahan karbon untuk aplikasi pembuatan elektrode secara efisien dan ekonomis. Pad a penumbuhan Grafit struktur nano dengan teknik HEM ini merupakan inovasi dari teknik yang dikembangkan oleh peneliti Sony corp [Kajiura et.al] 18), dimana mereka hanya memakai teknik milling biasa pad a suhu ruang. Perbedaan mendasar dari kedua teknik ini dapat dilihat dari Tabel berikut. Tabel 2. Perbandingan Unjuk Kerja Sistem Ball Milling dan High Energy Milling 0.2 Ada Tidak ada flm L-N2-700°C High Energy
2.3.

Teknik evaporasi fisika

2.3.1.

Pulsed Laser Deposition (PLD) T~"pical Deposition Conditions: • T~mpCf:llUre: RT - 950°C • Pressure: JO-7 - I Torr • IX-posilion Ral~: 0.1 - 10 Ns...'C Chamber

/

Vacuum UV Trmsparenl

/

I

Wiodo1a.'

Lmer

~i~,

I

Heated Substro1~

Rgure

diagram o( a COr!l'erltlorlal PLO system Is shoUT!.

1. A schematic

Gambar 4. Skematik diagram sistem konvensional PLD

431

34)

ISSN 2087-8079


Seperti yang telah dijelaskan pada pendahuluan di atas, kapasitor super memberikan suatu kombinasi yang unik sebagai piranti, yaitu bertenaga tinggi dan memiliki performa energi tinggi. Densitas energi dari kapasitor super adalah 100 kali lebih besar dibandingkan dengan dielectrik kapasitor yang umum dan densitas tenaganya 10 kali lebih besar daripada baterai biasa. Seiring dengan adanya kecenderungan semakin kecilnya peralatan elektronik serta tuntutan untuk dapat menyimpan energi dalam jumlah besar, maka komponen elektronik pada laptop, baterai kendaraan bermotor dan piranti digital lainnya dituntut untuk memiliki nilai kapasitan yang tinggi dan mampu menyimpan serta menyuplai energi dalam jumlah yang lebih besar. Akan tetapi, fakta yang ada saat ini pada metode fabrikasi konvensional kapasitor, yaitu metode sintering serbuk sudah tidak memungkinkan lagi untuk dapat membuat lebih tipis lagi lapisan dielektriknya. Permasalahannya adalah (i) timbulnya reaksi oksidasi pad a lapisan dalam (internal layer), (ii) timbulnya dis-koneksi akibat proses sintering dan (iii) dikarenakan ukuran butiran (grain) dari serbuk keramik sulit untuk dibuat lebih kecil lagi, akibat adalah sulitnya mengembangkan lapisan dielektrik dengan ketebalan kurang dari 10 11m 19). Dalam rangka untuk mengatasi permasalahan ini, berbagai macam metode fabrikasi lapisan tipis telah diterapkan untuk mempersiapkan lapisan dielektrik dan elektrode pada kapasitor, seperti sputtering 20,21), teknik evaporasi deposisi logam organik (MOVD) 22,23 dan teknik sol gel 24). Namun metode-metode ini memiliki kecepatan deposisi yang rendah, struktur peralatannya rumit dan kompleks, serta diperlukan waktu dan usaha yang banyak dalam mempersiapkan bahan dasar untuk proses deposisi-nya, sehingga kita mendapatkan kesulitan di dalam pendekatan terhadap penelitian dan pengembangan dengan teknik-teknik tersebut. Sedangkan metode fabrikasi lapisan tipis Pulsed Laser Deposition (PLD) yang dewasa ini semakin sering dipakai oleh para peneliti di dunia, merupakan suatu teknik pembuatan lapisan tipis yang dapat diterapkan di berbagai bahan-bahan penting 25,26). Keuntungan secara prinsip dari PLD adalah target akan diablasikan dengan komposisi yang stoikiometri, setting peralatan PLD adalah fleksibel dan sederhana (Gambar 4), sehingga memudahkan kita di dalam mengontrol komposisi dari film yang kita buat. Salah satu kendala dari metode PLD adalah keberadaan partikel yang menempel di permukaan film 27-30), dimana sebagian besar dari partikel tersebut dipercaya berasal dari interaksi antara laser dan target di saat proses iradiasi 29-31). Sekarang, PLD telah menjadi sebuah teknik yang dikenal luas untuk menumbuhkan film berbagai macam bahan secara luas, mulai dari keramik oksida sampai dengan paduan metal. Gambar 5 menjelaskan skematika mekanisme yang kemungkinan muncul di saat interaksi antar atom sewaktu proses PLD dilakukan.

---------!~ Time

(a)

(b)

-

(~.!11l

_I ,.. , -

...........

Gambar

'"

'"

••••.

(d)

T

"

Il

I

1

5. Proses atomic berefek ke 3 dimensi pertumbuhan pada lapisan tipis oleh PLD

25,26)

Iradiasi akan diserap dan kemudian menginduksi bahan target secara aktif dengan kecepatan pemanasan yang sangat cepat dan dalam volume yang siginifikan. Ini akan menyebabkan fase transisi, dan mengintroduksi gelombang stress beramplitudo tinggi pada target zat padat. Bahan target juga akan mulai meleleh dan ekspansi ke fase gas. Gambar 6 menunjukkan bentuk tipikal dari permukaan target yang diiradiasi dengan PLD.

432


Gambar 6. Observasi SEM terhadap permukaan target yang diiradiasi dengan PLD

25.26)

Berbagai maeam solusi telah diusulkan dan dipresentasikan untuk mengurangi jumlah partikel-partikel yang menempel di permukaan lapisan tipis 32), salah satunya adalah dengan menggunakan target densitas tinggi. S. Mustofa dan kawan-kawan 33) telah berhasil di dalam mempersiapkan bahan target keramik oksida untuk ablasi PLD yang memiliki densitas relatif tinggi menggunakan teknik sintering, dimana pada penelitian kali ini teknik sintering ini akan eoba dimodifikasi sehingga mampu pula untuk dipakai dalam pembuatan target berbasis bahan karbon dengan tingkat densitas tinggi.

BAB III TAT A KERJA

3.1.

Alat dan Bahan

Peralatan yang digunakan untuk milling adalah High Energy Milling (HEM) SpeX 8000 yang terdapat di laboratorium Bidang Karakterisasi dan Analisis Nuklir (BKAN), Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN - BAT AN) , dengan spesifikasi normal speed = 1500 rpm, run time = 90 menit, off time = 30 men it, dan on-off cycle = 1 kali, seperti yang ditunjukkan pad a Gambar 1. HEM ini terdiri dari sebuah wadah (via~ yang di dalamnya terdapat bola-bola (ball mil~ yang bergerak seeara spin dan berfungsi untuk menghaneurkan bahan tersebut. Wadah ini terbuat dari bahan stainless steel (SS) dengan bentuk seperti tabung dengan panjang 7,6 em dan diameter 5,1 em. Sedangkan ball mill juga terbuat dari bahan stainless steel (SS) dengan diameter bola sebesar 12 mm. Tujuan dari persiapan bahan nana karbon menggunakan HEM di sini adalah untuk mendapatkan bahan karbon yang memiliki struktur nanD porous, dan juga sebagai langkah awal untuk memproduksi CNT dengan seeara sederhana tanpa pemanasan aniling yang biasa dipakai dalam pembuatan CNT selama ini.

Gambar 7. Perala tan HEM dan wadah yang digunakan pada penelitian ini

433


ISSN 2087-8079

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah serbuk grafit (karbon, C) 99,5% dengan ukuran 10 11m. Serbuk grafit ditimbang sebanyak 20 gram, kemudian di-milling selama 25, 50, 75 jam dan 100 jam dengan HEM, dengan perbandingan berat bolalberat sampel sekitar 1,5 : 1 dalam wadah kecil (5 cc) pada temperatur ruang. Untuk menghindari kerusakan pada alat milling akibat peningkatan suhu motor yang terlalu tinggi, maka untuk setiap siklus milling selama 90 menit, proses dihentikan sekitar 0,5 jam untuk tujuan pendinginan motor. Dalam proses milling ini wadah serta bola yang digunakan terbuat dari bahan besi baja (stainless stee~. Serbuk grafit hasH milling ini masing-masing diidentifikasi dengan difraktometer sinarX (XRD) Phillips APD 3520 dan selanjutnya dilakukan analisis menggunakan program Origin dengan pendekatan Gausian Fitting Analysis. Tabel 3 berikut memperlihatkan seting kondisi milling di masing-masing bahan. Tabel 3. Seting kondisi proses milling memakai HEM") Fe-C /karbon CNT 4.5 LCR Grafit Bahan 1 : 1.5 serbuk: HEM 10 Analisis - 100 Rasio bola SEM/EDX XRD, LCR, (hrs) Kondisi Waktu Milling Seting

*) HEM memakai wadah besar ukuran

50 ee.

3.2.

Pembuatan lapisan tipis

3.2. 1.

Persiapan pelet untuk target sputtering

Campuran serbuk hasH proses milling ini kemudian masing-masing ditimbang sebanyak 0,5 gram, dan setelah itu dibuat menjadi bentuk pelet berdiameter 15 mm menggunakan mesin pres hidraulik merk Enerpac dengan tekanan 5000 psi (30 GPa), yang terdapat di BKAN, PTBIN-BATAN (diawal eksperimen) dan di Jurusan Fisika MIPA ITB Bandung sebagai pemecahan karena alat yang di BKAN rusak dan tidak memungkinan untuk pembuatan pelet bahan karbon. Ketika tekanan mesin pres mencapai 5000 psi, penekanan didiamkan selama 10 menit untuk menyempurnakan pembentukan pelet, sehingga pelet tersebut kuat dan tidak mudah pecah. Pertama-tama setelah bahan target untuk evaporasi fisika terbentuk, diukur nilai densitas target tersebut apakah memang sudah memiliki densitas yang cukup tinggi sehingga optimal untuk dipakai sebagai target dari PLD ataupun sputtering. Kemudian bila komposisi kapasitor super sudah terbentuk, akan diukur properti elektriknya memakai LCR meter. Selain itu, untuk penerapan sebagai piranti penyimpan energi, kita akan buat rangkaian sederhana lalu diukur nilai kapasitan serta ketahanannya terhadap suhu lingkungan dengan menggunakan furnace dan LCR meter. Pelet yang terbentuk ini kemudian diukur sifat elektriknya memakai LCR meter dengan parameter frekuensi antara 10Hz - 100 kHz, pada tegangan potensial V = 1 volt serta pada temperatur ruang. 3.2.2.

Fabrikasi lapisan tipis BSTO untuk elektrode dengan teknik PLO

Lapisan tipis BSTO yang akan diaplikasikan untuk elektrode pada kapasitor atau sensor, difabrikasi menggunakan teknik PLD dengan peralatan dan skema seperti diperlihatkan pada Gambar 8. Di depan substrat dipasang 8 jenis mask berbentuk mesh dan dipasang pula 4 jenis target, sehingga dapat difabrikasi 16 buah sampel lapisan tipis secara bergantian tanpa harus membuka chamber dan mengganti substrat atau target. Pembuatan lapisan tipis campuran BaTi03 dan SrTi03 (selanjutnya disingkat dengan BSTO) dilakukan dengan menembakkan radiasi laser ke target BaTi03 dan SrTi03 secara bergantian, dengan cara memutar target holder yang telah dipasangi pelet target BaTi03 dan SrTi03, dan pada akhirnya partikel BaTi03 dan SrTi03 yang terkena radiasi laser akan dideposisikan ke substrat Si02 yang dipasang sejajar di depan pelet target. Selanjutnya lapisan tipis elektrode BSTO diukur properti elektriknya menggunakan instrument ukur LCR meter.

434

Rekayasa bahan partikel nana karbanuntuk aplikasi piranti energi dan sensor (Dr. Salim Mustafa)

Flg.l Schematic

diagr.ulI'I

of combinatoJbl sysytem

Gambar 8. Perala tan PLD dan skematik ilustrasi dari sistem PLD yang dipakai untuk fabrikasi lapisan tipis BSTO untuk aplikasi elektrode kapasitor atau sensor 34) 3.2.3.

Fabrikasi lapisan tipis dengan sputtering

Lapisan tipis grafit karbon untuk elektrode pada kapasitor atau sensor, difabrikasi menggunakan teknik sputtering memakai peralatan yang ada di Jurusan Fisika MIPA ITBBandung, dengan susunan peralatan seperti diperlihatkan pada Gambar 9. Jarak antara target grafit karbon dan substrat adalah 40 mm, memakai Substrat Si (100), temperatur substrat 150°C - 300°C, lama proses sputtering 30 dan 60 menit. Target sputtering yang dipakai adalah pelet grafit karbon yang merupakan pemadatan serbuk grafit karbon hasil milling 18-50 jam. Sebelum dipasang di dalam chamber, substrat dibersihkan dengan etanol memakai teknik pembersihan ultrasonic.

Chamber

Instrumen kontrol

Gambar 9. Chamber dan perala tan kontrol pada peralatan sputtering yang dipakai untuk fabrikasi lapisan tipis grafit karbon

3.3.

Karakterisasi fase dan observasi morfologi

Masing-masing sampel, baik serbuk setelah diproses milling maupun lapisan tipis hasil fabrikasi yang menggunakan target pelet diselidiki sifat-sifat fisisnya, yaitu dimulai dari ukuran partikel serbuk hasil proses milling memakai SEM 515 Philip dan porositasnya memakai alat ukur porositas BET yang ada PTAPB BATAN Yogyakarta, komposisi fase serbuk hasil milling serta sampel lapisan tipis dianalisis dengan XRD merek Philip, type PW1710, ketebalan lapisan tipis diobservasi memakai SEM, kemudian morfologi serbuk hasil milling dan permukaan lapisan tipis hasil fabrikasi diobservasi memakai SEM dan FE-SEM. Gambar 10 dibawah memperlihatkan peralatan XRD dan SEM yang ada di BKAN dan BBIN, PTBIN yang digunakan pad a penelitian ini. Seting kondisi XRD terhadap sampel adalah memakai berkas sinar-X dari tube anode Cu dengan panjang gelombang, A, = 1,5406 A, mode = continuous-scan, step size = 0,02°, dan time per step = 0,5 detik.

435


3.4.

Pengukuran

properti

ISSN 2087-8079

elektrik

Kapasitor lapisan tipis yang dibuat dengan teknik PLD diukur kapasitan statis dan resistannya memakai LCR meter (Agilent Technologies: 4284A). Pada sampel dipasang kabel Au memakai perekat Ag. Metode pengukuran memakai teknik 4 terminal. Nilai kapasitan (Cp) dan resistan (Rp) diukur pad a frekuensi 1k-1 MHz. Pengukuran mampu dilakukan pada kecepatan tinggi secara berg anti an terhadap 16 buah sampel, dan data dikirimkan langusung ke PC, seperti pada Gambar 11.

PC

LCR

Relay box

Multi mater

,00-----· •••

Multimeter

0

4 terminals

Sample

Au wire

Gambar 11. Sistem evaluasi properti elektrik kecepatan tinggi pada lapisan tipis kapasitor

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1.

Pengembangan

karbon nano struktur

dengan HEM

4.1. 1.

Komposisi fase serbuk hasH karakterisasi dengan XRD C(002)

C(004) Graflt Sundar

Milling

25 jam

Milling 60 Jam

Milling

75 Jam

MIlling 100 Jam

10

20

30

40 Sudut Difraksi,

50

60

70

80

B(derajet)

Gambar 12. HasH analisis XRD sampel setelah diproses milling

436

35)

34)



Bahan serbuk grafit karbon diproses dengan High Energy Milling (HEM) dengan rasio serbuk dan bola 1 : 1.5 dengan lama proses masing-masing 10 - 50 jam. Serbuk grafit karbon hasil HEM dipadatkan pada tekanan sampai 15 Ton, untuk nantinya dipakai sebagai target sputtering pada pembuatan film tipis. Hasil identifikasi XRD terhadap pelet terbentuk dari karbon struktur nanD hasil milling 25 - 100 jam diperlihatkan pada Gambar 12. Pelet yang terbentuk dilakukan pengujian dengan XRD yang menunjukkan bahwa semakin lama sampel di-milling, maka puncak intensitasnya semakin turun yang berarti bahwa semakin lama waktu milling semakin menunjukkan perubahan fase dari kristal ke fase amorfous. Dari Gambar 12 terlihat bahwa intensitas puncak yang muncul hanya puncak difraksi karbon C (002) dan C (004), artinya hal ini menunjukkan karbon hasil milling masih didominasi oleh fase heksagonal. Sebagai pembanding dimasukkan hasil HRD dari pelet terbentuk dari karbon standar. 4.1.2.

Porositas grafit hasil milling

Selanjutnya dari kesemua sampel yang telah diproses milling, kami melakukan pengukuran tingkat porositas terhadap grafit setelah diproses milling memakai HEM dengan waktu milling 5-50 jam. Seperti diperlihatkan di Gambar 13, surface area dari serbuk mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan waktu milling dan mengalami puncaknya disaat milling 18 jam. Setelah 18 jam milling, surface area turun secara drastis, dan secara perlahan naik seiring dengan kenaikan waktu milling. 0.6

300 250

'"

200

~

150

LL 0.5 .3U 0.4 ai U

'"

" '"

~

c:

~

100

(/)

50

[

0.2

nI

U

o

-50

0.1

o

o

40

20

o

60

Gambar 13. Hubungan surface area serbuk dan waktu proses milling 36)

10

20

30

40

50

60

Waktu miling, T (hours)

Waktu

4.1.3.

0.3

·0

:::J

Gambar 14. Hubungan waktu milling dan nilai kapasitan grafit setelah milling 36)

Properti elektrik grafit hasil milling dengan instrumen ukur LCR meter

Uji sifat listrik dilakukan dengan LCR meter dari frekuensi 100 Hz - 100 kHz. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa nilai kapasitan sampai dengan waktu milling 18 jam mengalami peningkatan, namun setelah itu nilai kapasitan turun drastis seiring dengan bertambahnya waktu milling, seperti diperlihatkan pad a Gambar 14 diatas. Hasil ini kalau kita korelasikan dengan hasil pengukuran porositas (lihat Gambar 13), maka ada kemungkinan serbuk karbon setelah proses milling 18 jam memiliki surface area yang paling besar, dan ini merupakan salah satu alasan kenapa pad a saat itu serbuk setelah dipelet dan diukur didapatkan hasil nilai kapasitan maksimal. 4.1.4.

Pengamatan morfologi partikel serb uk grafit karbon hasil milling dengan SEM

Hasil pengamatan morfologi serbuk grafit sebelum dan sesudah diproses (0 - 100 jam) milling ditunjukkan pad a Gambar 15. Pada Gambar 15 terlihat bahwa gambar mikro permukaan serbuk grafit pre-milling (0 jam waktu milling) menunjukkan bahwa bahan serbuk awal yang dipakai pad a aktualnya adalah berukuran sekitar 10 11m, hal ini sesuai dengan spesifikasi yang diterima dari pemasok bahan serbuk tersebut. Selanjutnya, seiring dengan semakin lamanya proses milling, dari foto pada Gambar 15 ditunjukkan dengan jelas bahwa ukuran serbuk mengalami pengecilan akibat penghancuran dari bola-bola milling. Untuk serbuk grafit yang diproses milling selama 25 jam, maka ukuran serbuk menjadi sekitar 670 nm, untuk proses milling 50 jam maka ukuran serbuk menjadi sekitar 220 nm, untuk proses

437


ISSN 2087-8079

milling 75 jam maka ukuran serbuk menjadi sekitar 140 nm, dan untuk proses milling 100 jam

maka ukuran serbuk menjadi sekitar 70 nm.

12:06

Milling 75 jam

x4.0k

20 urn

Milling IOOjam

Gambar 15. HasH pengamatan morfologi dengan SEM serbuk grafit sebelum dan sesudah proses milling dengan HEM 37)

Dari hasil identifikasi serbuk grafit dengan XRD ditunjukkan bahwa penurunan intensitas puncak difraksi yang sangat signifikan akibat proses milling terhadap serbuk grafit adalah berhubungan erat dengan pembentukan struktur kristal yang semakin keci!. Hasil ini lebih lanjut dibuktikan dan didukung dengan hasil pengamatan morfologi serbuk grafit menggunakan SEM, yaitu dapat diketahui bahwa semakin lama proses milling dilakukan terhadap serbuk grafit maka ukuran struktur serbuk karbon yang terbentuk menjadi semakin kecil pula. Fenomena mengecilnya ukuran partikel serbuk grafit ini disebabkan karena adanya tumbukan antara bola-bola milling dan serbuk grafit serta tumbukan serbuk grafit ke dinding wadah oleh bola-bola milling, sehingga terjadilah proses penghancuran serbuk grafit menjadi serbuk grafit berukuran yang lebih keci!. Dengan demikian, serbuk grafit diproses milling dengan teknik HEM dapat menghasilkan karbon berstruktur nano.

438


c

c

JlJl ~ w

~jl==

~ w ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

~

Milling 10 jam

Pre Milling

w

~

~

~

~

~

~

Milling 15 jam

c

c

Jl~

c

w

Milling 25 jam

~

~

~

~

~

~

~

JLd_. ~ w

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

_

Milling 50 jam

Gambar 16. Hasil analisis komposisi unsur memakai EOAX terhadap karbon sebelum dan sesudah proses milling dengan Planetary 8a1/36)

439

~


ISSN 2087-8079

Selanjutnya dilakukan analisis komposisi unsur terhadap sampel karbon baik sebelum maupun sesudah diproses milling menggunakan EDAX, seperti diperlihatkan pad a Gambar 16. Dari hasil analisis dengan EDAX diketahui bahwa seluruh sampel hanya mengandung unsur karbon, dan tidak ditemukan kontaminasi ataupun senyawa baru hasil bentukan dari proses milling. Hal ini membuktikan pula bahwa proses milling dengan HEM murni hanyalah merupakan proses penumbukan bola-bola ke serbuk yang membuat ukuran serbuk menjadi semakin kecil ke ukuran minimal bisa mencapai nanD (Iihat Gambar 16), tanpa diiiringi dengan reaksi pembentukan senyawa baru sebagai akibat dari panas yang timbul dari proses penumbukan tersebut. 4.2.

Pengembangan

lapisan tipis untuk elektrode dengan metode PVD

4.2.1.

Penumbuhan BSTO keramik memakai teknik PLO

-

400nm

50

(a) Lapisan tipis PtiBaTi03lPt

J1.

m

(b) Kapasitor komersil (MLCC)

Gambar 17. Cross section lapisan tipis dan kapasitor komersil (MLCC)

37)

Gambar 17 memperlihatkan cross section kapasitor jenis lapisan tipis PtiBaTiO:/Pt dan kapasitor komersil (ukuran 1608mm). Kapasitor komersil diproduksi dengan teknik powder sintering, karena itu memiliki lapisan dielektrik yang tebal, serta terlihat adanya lapisan elektrode yang terputus. Sedangkan untuk kapasitor jenis lapiran tipis hasil eksperimen memiliki lapisan dielektrik yang cukup tipis yaitu sekitar 400 nm, serta morfologinya halus merata. Kontrol ketebalan lapisan tipis dari lapisan elektrode dan dielektrik mampu dilakukan melalui kontrol terhadap frekuensi pulse radiasi. Gambar 16 menunjukkan hubungan antara frekuensi rasio dielektrik per layer kapasitor jenis lapisan tipis PtiBaTiO:/Pt dan kapasitor jenis komersil.

100

V

PtlBaTiO/Pt on SiOlSi 873K

'Y

1608size

'Y 'Y 'Y 'Y 'Y

'Y 'Y 'Y

'Y

1 o

20

40 Frequency,f

60

80

100

/kHz

Gambar 18.Hubungan antara frekuensi dan konstanta dielectric constant

440


Rasio diel~ktrik dari kapasitor jenis lapisan tipis PtiBaTiO:ylPt mengalami penurunan drastis dari 200 menjadi 30, pada frekuensi pengukuran naik dari 100 Hz menuju ke 20 kHz, dimana nilai dielektrik menjadi 20 disaat frekuensinya menjadi 60kHz, dan menjadi 3 pada saat frekuensinya menjadi 1MHz. Bila dibandingkan kapasitor jenis komersil, memiliki nilai dielektrik 10 kali lipat lebih besar. Akan tetapi, pad a kasus kapasitor jenis lapisan tipis, perubahan kapasitan terhadap perubahan frekuensi begitu besar bila dibandingkan dengan kapasitor komersil ukuran 1608, dan masih belum dapat memenuhi persyaratan JIS untuk perubahan kapasitan yaitu sebesar ± 5%. Untuk itu maka pada penelitian ini kemudian dilakukan doping SrTi03 dalam berbagai rasio pencampuran, yang mana SrTi03 memiliki tingkat kestabilan yang sangat tinggi terhadap perubahan frekuens, walaupun dilain pihak nilai kapasitannya tidak terlalu besar dibandingkan dengan BaTi03. Lapisan tipis Ba,_xSrxTi03 yang telah dibuat memiliki fase amort, dan belum terlihat adanya perbaikan pada karakteristik frekuensi. Untuk itu, setelah deposisi, dilakukan proses re-kristalisasi selama 12 jam pad a suhu 973K. Gambar 19 memperlihatkan efek volume doping terhadap rasio dielektrik pada frekuensi 1 MHz untuk kasus kapasitor jenis lapisan tipis yang telah dicampurkan elemen SrTi03. Rasio dielektrik memiliki tren turun seiring dengan peningkatan rasio X. Pada saat rasion X=0.3~0.4, terlihat adanya penurunan rasio dielektrik yang drastis. Hal ini diakibatkan karena adanya perubahan dari Tetragonal yang menunjukkan sifat ferroelektrik, menuju ke cubic yang menunjukkan sifat para elektrik. Namun, melalui penggantian BaTi03 dengan 40%SrTiO, perubahan kapasitan menjadi stabil selevel dengan kapasitor komersil, seperti pada Gambar 20.

3 •

i~

After annealing

Cubic

20 -40 0

-80 -60 U -20 0

Tetragonal

2

U -<1

I

'"

co

o

u u .~ 1

•

As deposited 12h anealing

"

..!!

Q o

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

200

SrTiO, -? X

Gambar 19. Hubungan antara X dan konstanta dielectric pada lapisan tipis kapasitor Pt/Bal_XSrX TiO:/Pt 38)

4.2.3.

400

600

800

1000

Frequency,f / kHz

Gambar 20. Hubungan antara frekuensi dan L1 GIG pada lapisan tipis Ti03 38) BaO.6Sr0.4

Penumbuhan karbon di atas substrat Si memakai metode sputtering

Parameter eksperimen pembuatan thin film memakai metode sputtering adalah memakai Substrat Si (100), temperatur substrat 1000G - 300oG, lama proses sputtering 30 menit. Hasil observasi mortologi permukaan thin film dengan SEM diperlihatkan pada Gambar 21 dibawah. Target yang dipakai adalah pelet karbon hasil milling dengan HEM selama 25 jam dan lama sputtering 30 men it.

441


ISSN 2087-8079

Temperatur

sputtering 150°C

Temperatur

sputtering 200°C

Temperatur

sputtering 250°C

Temperatur

sputtering 300°C

Gambar 21. Hasil pengamatan morfologi karbon film tipis yang dibuat memakai metode sputtering 39) Hasil observasi SEM memperlihatkan thin film memiliki morfologi homogen, dengan tingkat kepadatan yang cukup tinggi, serta tidak banyak ditemukan droplet partikel yang merupakan salah satu permasalahan dari metode sputtering ataupun metode PVD lainnya.

BES

20l<:V

General

WD11mm

5560

40Pa

none

Suhu sputtering 150°C

.3100

- c----0001

Si(111 )

.

Si(111 ) Sj>m

13 Aug 2009

BES 20kV Gene-rat

WD11mm

S560

40Pa

r.one

Suhu sputtering 200°C

442

x3.700

------,,0001

5"m 13 Aoq 2009

Rekayasa bahan partikel nana karbanuntuk

aplikasi piranti energi dan sensar (Dr. Salim Mustafa)

Si(lll)

Si(lll) BES 20'V Genet'~1

Suhu

WD11mrn SS60 38Pe none

sputtering

>3,700

0001

5IIm 13Aug2009

150°C

BES 20kV General

Suhu

WD11mrn SS60 3aPe none

sputtering

>3.700

0001

5IIm 13Aug2009

200°C

Gambar 2. Hasil pengamatan morfologi cross section karbon film tipis yang dibuat memakai metode sputtering 35) Oari foto SEM kita dapat melihat bahwa nampaknya temperatur 300°C memberikan hasil morfologi yang sangat merata dan homogen dibandingkan temperatur lainnya. Namun demikian dari hasil pengamatan SEM terhadap cross section film tipis dengan suhu sputtering 150°C - 300°C diperlihatkan bahwa lama proses sputtering 30 menit belum mencukupi ketebalannya dan strukturnya juga masih sedikit rapuh (Iihat Gambar 22).

4.3.

Persiapansintesis karbon CNT

4.3.1.

Properti elektrik campuran grafit karbon dan Fe-C

Oengan tujuan untuk mencari terobosan peningkatan sifat properti dielektrik pad a bahan grafir karbon sehingga dapat meningkatkan properti bahan grafit karbon terse but, maka telah dilakukan penyelidikan efek penambahan rasio CNT terhadap sifat elektrik bahan grafit karbon yang dido ping CNT. Rasio doping CNT terhadap bahan grafit karbon adalah 00.20 berat%. Setelah bahan grafit karbon dicampur dengan CNT, kemudian diproses milling lalu dipadatkan dengan mesin pres, untuk selanjutnya diukur sifat properti elektriknya memakai instrumen ukur LCR meter yang ada di BKAN PTBIN BAT AN. Hasil pengukurannya adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 23, nilai dielektrik campuran FeC-CNT mencapai maksimal pada saat rasio berat % CNT 0.05, setelah itu nilai dielektrik cuplikan sampel cenderung mengalami penurunan, seiring dengan peningkatan penambahan rasio be rat % CNT.

3.600E-05 ..,

3.000E-05

~

>

E

2.400E-05

~

1.800E-05

E '-

<.)

'C

~

.~

o

1.200E-05 6.000E-06 O.OOOE+OO

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

Rasio CNT (weight%) Gambar 23. Hubungan korelasi antara rasio CNT di dalam Fe-C terhadap nilai dielectric permitivity dari bahan serb uk campuran Fe-GIGNT terse but

443


ISSN 2087-8079

BAB V KESIMPULAN

Dalam penelitian ini telah dilakukan studi tentang rekayasa bahan berbasis karbon dengan berbagai teknik untuk aplikasi piranti energi dan sensor, dimulai dari pengembangan bahan karbon berstruktur nano memakai metode Mechanical Alloy yaitu teknik High Energy Milling (HEM), dilanjutkan dengan pengembangan lapisan tipis karbon dengan PVD memakai target yang terbuat dari padatan serbuk grafit karbon berstruktur nano hasil proses milling, pengembangan lapisan elektrode berbasis keramik BSTO dengan mendoping unsur Sr ke lapisan tipis BaTi03 yang difabrikasi dengan teknik Pulsed Laser Deposition (PLD), serta usaha terobosan peningkatan sifat properti dielektrik pada bahan grafir karbon melalui pencampuran CNT ke dalam grafit Fe-C, sehingga dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Dari hasH identifikasi XRD dan observasi SEM terhadap sampel serbuk bahan grafit karbon hasH milling dapat diketahui bahwa semakin lama proses milling dilakukan, ukuran struktur serbuk karbon yang terbentuk menjadi semakin kedl pula sampai ke ukuran skala nano, dimana hal ini disebabkan karena adanya tumbukan antara bolabola milling dan serbuk grafit serta tumbukan serbuk grafit ke dinding wadah oleh bolabola milling, sehingga terjadilah proses penghancuran serbuk grafit menjadi serbuk grafit berukuran yang lebih kecil. Hal ini membuktikan bahwa poses milling dengan teknik HEM dapat menghasilkan karbon berstruktur nano. 2. Uji sifat listrik dengan LCR meter menunjukkan nilai kapasitan meningkat dan mencapai maksimal pada milling 18 jam, namun setelah itu nilai kapasitan turun drastis seiring dengan bertambahnya waktu milling. HasH ini sejalan dengan hasil porositas, dimana memiliki luas permukaan (surface area) yang paling besar pada proses milling 18 jam. 3. Hasil analisis EDAX menunjukkan seluruh sampel hasil milling hanya mengandung unsur karbon, dan tidak ditemukan kontaminasi ataupun senyawa baru hasil bentukan dari proses milling. Hal ini membuktikan bahwa proses milling dengan HEM murni hanyalah penghancuran serbuk ke ukuran kecil bahkan mencapai ukuran nano. 4. Kapasitor jenis lapisan tipis hasil eksperimen memiliki lapisan dielektrik yang jauh lebih tipis (400 nm) dibandingkan ketebalan kapasitor komersil yang diproduksi dengan teknik powder sintering, serta morfologinya halus merata dibandingkan kapasitor komersil yang terlihat ada lapisan elektrode yang terputus di dalamnya. 5. Melalui penggantian BaTi03 dengan 40%SrTiO, perubahan kapasitan menjadi stabil setingkat dengan kapasitor komersil.

DAFT AR PUST AKA

[1] [2] [3] [4]

[5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]

Elzbieta Frackowiak, Francois Beguin, Electrochemical Storage of Energy in Carbon Nanotubes and Nanostructured Carbons, Carbon 40 (2002), 1775-1787. Q.Jiang, M.Z Qu, G.M. Zhou, B.L. Zhang, Z.L. Yu, A Study of Activated Carbon Nanotubes as Electrochemical Supercapacitors Electrode Materials, Materials Letters 57 (2002) 988-991. Heon-Cheol Shin, Meilin Liu, B. Sadanandan, Apparao M. Rao, Electrochemical Insertion of Lithium Into Multi-walled Carbon Nanotubes Prepared by Catalytic Decomposition, Journal of Power Sources, 112 (2002) 216-221. Ranjan Kumar Dash and William J. Schrepple, Supercapacitors and Li Batteries Nanoporous Carbon/Graphite Vs Carbon Nanotube, Nanostructured Carbon Materials

(2003),1-15. Y.Gogotsi, J.D. Jean, M.J. McNallan, J. Mater. Chem. 71841-1848 (1997). Nikitin and Y.Gogotsi, Nanostructured Carbide-Derived Carbon (CDC). Technical Papers from Skeleton Technologies. G.B. Schaffer and P.G. McCormick, Metal. Trans. A, 21 (1990) 2789-94. P. Matteazzi and G. Le Caer, J. Am. Ceram, Soc., 74,6 (1991) 1382-90. P. Matteazzi and G. Le Caer, J. Am. Ceram, Soc., 75,10 (1992) 9-55. D. Michel, F. Faudot etc, J. Am. Ceram, Soc., 76,11 (1993) 884-88. A. Calka, W.A. Kavzmarek, Scripta Metal. Mater., 26, 2 (1992) 249-53. BK Yen, T. Aizawa, J. Kihara, J.Am. Ceram, Soc., 79, 8 (1996) 2221-23.

444



[14] W. J. Botta FQ, D.E. Hanai, B.N. Santana, N.R Oliveira Jr., R Tomasi, Mater. Sci. Forum, 179-181 (1995) 635. [15] R Tomasi, E.M.JA Pallone, F. Ferralfo, W.J. Botta FQ, Proceedings of the 4th Int. Cont. Composites Eng. ICCE/4, Big Island of Hawaii, July 1997. pp. 981-2. [16] P.H. Shingu, K.N. Ishihara and AOtsuki, Materials Sci. Forum, 179-181 (1995), pp.5-10. [17] Le Caer, P. Delcroix, S. Begin-Colin and T. Ziller, Hyperfine Interactions, 141/142, 1-4 (2002) pp. 63-72. [18] Kajiura et.al, Sony Corp News, 2003. [19] Yohachi Yamashita, Amer. Cer. Soc. Bull., 73 (1994) p. 74. [20] S.S. Thony, H.W. Lehmann, P. Gunter, Appl. Phys. Lett. 61 (1992) p. 373. [21] C.H.J. Huang, TA Rabson, Opt. Lett. 18 (1993) p. 811. [22] HA Lu, L.A. Wills, BW. Wessels, W.P. Un, T.G. Zhang, G.K. Wong, D.A. Nuemayer, T.J. Marks, Appl. Phys. Lett. 62 (1993) p. 1314. [23] D.M. Gill, B.A. Block, CW. Conrad, B.W. Wessels, S.T. Ho, Appl. Phys. Lett. 69 (1996) p. 2968. [24] Euu-Kyoung Kim and Sook-II Kwun, J. Korean Phys. Soc. 34 (1999) p. 397. [25] D.B. Chrisey and G.K. Hubler, Pulsed Laser Deposition of Thin Films, John Wiley & Son (1994). [26] J.T. Cheung and H. Sankur, CRC Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 15 (1988) p. 63. [27] JA Greer and H.J. Van Hook, MRS Symp. 169 (1990) p. 463. [28] G. Koren, A Gupta, RJ. Baseman, M.1. Lutwyche, and RB. Laibowitz, Appl. Phys. Lett. 55 (1989) p. 2450. [29] R K. Singh, D. Bhattacharya, and J. Narayan, Appl. Phys. Lett. 57 (1990) p. 2022. [30] R K. Singh, D. Bhattacharya, and J. Narayan, MRS 201 (1991) p. 322. [31] S. Otsubo, T. Minamikawa, Y. Yonezawa, A Morimoto, and T. Shimizu, Jpn. J. Appl. Phys. 29 (1990) L73. [32] Peter K. Schenk, Mark D. Vaudin, David W. Bonell, John W. Hastie, and Albert J. Paul, Appl. Surf. Sci. 127-129 (1998) p.656. [33] S. Mustofa, T. Araki, T. Furusawa, M. Nishida, and T. Hino, Mat. Sci. and Eng. B103 (2003)p.128-134. [34] Salim Mustofa, The Development of BaTi03, SrTi03 and BaxSrl_xTi03 dielectric layer for MLCC using PLD combination with Combinatorial Chemistry System (CCS) , Thesis Doctor, Ehime University, 2004 [35] Set yo Purwanto, Salim Mustofa dan Yunasfi, Rekayasa Penumbuhan Karbon Nano Struktur Dengan Teknik Iradiasi Untuk Sensor Kesehatan, Laporan Kemajuan Block Grant Diknas 2009-2010, P.U. Dr. Set yo Purwanto, BKAN-PTBIN, BATAN. [36] Salim Mustofa dll, Laporan Triwulan II Periode 2008, Kelompok Sensor Nano Komposit, BKAN-PTBIN, BATAN. [37] Salim Mustofa dan Yunasfi, Pembuatan Karbon Berstruktur Nano dengan Metode High Energy Milling, Jurnal Sains Materi Indonesia, Vol. 10, No.3, Juni 2009, pp. 288-291 (2009). [38] Salim Mustofa etc, Presentasi IImiah Seminar Nasional Bidang Metalurgi Jepang, 2002. [39] Salim Mustofa dll, Laporan Triwulan I Peri ode 2009, Kelompok Sensor Nano Komposit, BKAN-PTBIN, BATAN. [40] Wisnu A.A., Presentasi IImiah Fungsional Peneliti Madya, PTBIN-BATAN, 2009

445

REKAYASA BAHAN PARTIKEL NANO KARBON UNTUK APLIKASI PIRANTI ENERGI DAN SENSOR

Recommend Documents