JUDULKajian efek doping polymer pada interaksi many body dalam graphene nanofiber yang dibentuk menggunakan elektrospinning

ABSTRAKGraphene adalah material karbon yang mempunyai band gap nol. Untuk membuka bandgap dari graphene perlu adanya impuritas / doping. Sintesis graphene nanofiber doping polimer (P-Base) akan dilakukan dengan menvariasi konsentrasi dari polimer (P-base). Konsentrasi polimer bervariasi dari 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% dan 50%. Nanofiber graphene doping polimer menggunakan elektrospinning. Elektrospinning merupakan teknik yang sederhana yaitu dengan cara memberikan tegangan tinggi pada larutan polimer dan dapat menghasilkan serat nano. Kajian yang akan dibahas dalam penelitian ini adalah interaksi many body menggunakan analisis kurva fano. Karakterisasi menggunakan spektrometer Uv-Vis dengan mengukur serapan pada nanofiber. Interaksi antara elektron-elektron dan elektron dan hole pada graphene murni telah di teliti oleh Kin Fai Mak. Di penelitian tersebut terdapat puncak dalam spectrum energi yaitu sebesar 4,62 eV. Dalam penelitian ini akan melihat adanya interaksi many body pada graphene nanofiber yang akan di doping polimer. Kata-kata kunci : Graphene, elektrospinning, many body interaction.

BAB 1. PENDAHULUAN1.1 Latar Belakang Graphene adalah material karbon dalam bentuk monolayer datar atom dalam bentuk 2 dimensi (2D). Graphene memiliki keunggulan diantaranya mobilitas pembawa muatannya tinggi, sifat transparannya baik, konduktivitas listrik dan panas graphene paling tinggi dibanding material lainnya (K. S. Novoselov, 2005). Graphene berpotensi untuk diterapkan menjadi optoelektronik dengan kecepatan proses yang sangat tinggi, sebagai layar fleksibel, dapat diaplikasikan untuk sel surya karena sifat transparannya. Selain itu graphene juga dapat dijadikan sebagai kapasitor yang mempunyai performa tinggi (M. D Stoller,et al, 2008). Struktur pita energi dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya adalah substrat, doping dan voltage bias. Upaya yang pernah dilakukan pada penelitian sebelumnya adalah mendop dengan Hidrogen, Nitrogen dan Boron (T. M. Schmidt, 2010). Studi teoritik terhadap efek-efek yang mempengaruhi dispersi energi belum cukup. Hal ini disebabkan masih banyaknya data eksperimen yang belum dapat dijelaskan secara teoritik. Pengaruh pemberian doping pada graphene agar graphene memiliki celah pita (Han Zhang, 2006). Penelitian ini akan membahas kemungkinan menimbulkan celah pita dan kaitannya dengan konstanta dielektrik dengan cara mendop dengan polimer P-Base. Berdasarkan sifat-sifat graphene, material tersebut sangat bermanfaat jika dikembangkan. Penelitian pun berkembang pada sintesis material Graphene-polimer nanofiber. Pembuatan Graphene-polimer nanofiber menggunakan alat elektrospinning. Elektrospinning merupakan teknik yang sederhana yaitu dengan cara memberikan tegangan tinggi pada larutan polimer. Elektrospinning memiliki karakteristik dengan adanya proses penyemprotan elektron. Prosesnya tidak memerlukan penggunaan pengentalan / pembekuan secara kimia (Quynh P. Pham, 2006). Hal ini yang membuat proses tersebut mudah dilakukan. Selain penelitian tentang berbagai macam sintesis bahan, juga dilakukan beberapa penelitian untuk mengetahui karakteristik mikrostruktural material. Penelitian ini akan dikarakterisasi menggunakan UV-Vis untuk mengetahui besarnya serapan yang bisa digunakan untuk mencari konduktivitas melalui model Fano. Analisis kurva fano digunakan untuk mengetahui interaksi many body dalam graphene nanofiber. Interaksi many body merupakan interaksi antara elektron-elektron atau elektron-hole (exiton) (Andrey E. Miroshnichenko, 2010). Selain karakterisasi menggunakan spektroskopi uv-vis, penelitian ini juga dikarakterisasi menggunakan spektroskopi Raman. Spektroskopi Raman merupakan metode penentuan senyawa berdasarkan gerakan molekul, yang dinamakan vibrasi molekul. Senyawa yang terukur pada Spektrometer Raman adalah senyawa yang mengalami perubahan polarisasi karena vibrasi (A.C Ferarri et.al, 2006). Berdasarkan uraian tersebut, maka dalam tulisan ini akan diuraikan kajian efek doping polimer pada interaksi many body dalam graphene nanofiber. Pengetahuan mengenai kajian many body ini diharapkan dapat untuk menjelaskan secara teoritik spektrum konduktivitas pada graphene nanofiber yang di doping dengan polimer. 1.2 Tujuan PenelitianTujuan penelitian yang akan dilakukan adalah mempelajari mekanisme terbentuknya celah pita dan interaksi many body dalam graphene nanofiber yang di doping polimer.

1.3 Manfaat PenelitianManfaat yang diperoleh dari penelitian yang dilakukan yaitu :1. Larutan Graphene doping polimer diharapkan dapat digunakan sebagai bahan pembuat nanofiber yang mampu menyerap cahaya tampak;2. Nanofiber graphene doping polimer diharapkan dapat digunakan untuk optoelektronik;3. Memberikan informasi mengenai interaksi many body dari doping polimer terhadap karakteristik optik nanofiber graphene.

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA2.1 Graphene dan polymer P-BaseGraphene adalah material karbon dalam bentuk monolayer datar atom dalam bentuk 2 dimensi (2D) (K.S. Novoselov, et al, 2004). Akhir akhir ini material ini menjadi material yang menarik sekali karena dari berbagai penelitian baik secara teori maupun teoritis dan mempunyai peluang digunakan sebagai material maju. Di bawah ini gambar band structure dari graphene (T.O Wehling et al, 2008),

Gambar. 2.1 Band structure Graphene (T.O.Wehling,2008)

Jenis ikatan yang terdapat pada graphene adalah jenis ikatan dengan hibridisasi sp2 seperti jenis ikatan yang dimiliki oleh benzene, dengan panjang ikatan diperkirakan 0,142 nm. Salah satu perkembangan penelitian graphene adalah dengan memodifikasi struktur graphene dengan men doping graphene dengan berbagai material lainnya, misalnya logam. Hal ini bertujuan untuk memperbaiki sifat dan juga menemukan sifat baru yang nanti akan membuka peluang bagi pemanfaatan graphene yang lebih luas. Oleh karenanya apabila graphene di doping atau dicampur (dibuat komposit) dengan oksida oksida logam (Lu Ting, et.al, 2011).2.2 Interaksi many body pada grapheneGraphene adalah susunan atom karbon dengan geometri segi enam 2D (hexagonal lattice). Graphene memiliki perilaku yang unik yaitu tidak ada nya celah energi antara pita konduksi dan pita valensi pada kurva disperse energi. Walaupun tidak mempunyai celah energi, kedua pita tersebut tidak saling tumpang tindih (overlap). Pada daerah sekitar energi Fermi, hubungan dispersi energi sebagai fungsi vektor gelombang adalah linier, tidak seperti material lain (T.O Wehling et al, 2008). Pada penelitian ini akan disertakan perhitungan konduktivitas optik graphene, karena data konduktivitas optik dapat menggambarkan sifat elektronik dari sistem. Selain itu, data konduktivitas optik dapat menjelaskan gambaran umum tentang transpor sistem baik konduktivitas DC maupun AC. Konduktivitas optik graphene yang tersusun 2D dengan kisi hexagonal, menampilkan banyak sifat optik yang luar biasa. Konduktivitas optik dalam kisaran sinar uv dan infra merah adalah (Neto, Castro 2009) :

.(2.4)

Di daerah sinar uv dan tampak, interaksi antara elektron-elektron (ee) dan elektron hole (eh) akan menghasilkan efek exitonic yang unik. Hal ini terlihat jelas pada bagian riil dari konduktivitas optik () dari graphene akan adanya interaksi many body . Interaksi ini diperlukan untuk mendeskripsikan sifat elektronik dari graphene (Kotov, V.N 2012). Material seperti graphene yang memiliki ketebalan , dimana merupakan panjang gelombang cahaya yang didukung dengan substrat yang transparan, fraksi perubahan reflektansi dapat diselesaikan dengan persamaan Maxwell yaitu,

(2.5)dengan ns adalah indek refraksi substrat (kaca/Si), Rg+s adalah reflektansi graphene dan substrat, Rs adalah reflektansi dari substrat dan A adalah nilai absorbansi nya (E, Hecht, 1998). Sedangkan hubungan konduktivitas dengan absorbansi dapat ditunjukkan dengan persamaan berikut (I, H. Malitson, 1965):

(2.6)

Kin Fai Mak telah melakukan eksperimen tentang pengukuran spektrum konduktivitas graphene monolayer yang ditunjukkan pada gambar 2.7. pada spektrum IR dengan rentang 0,5-1,5 eV, konduktivitas menunjukkan nilai yang universal yaitu sesuai persamaan 2.4. Dalam rentang spektrum cahaya tampak ada kenaikan energi sebanyak 80% pada 3 eV. Sedangkan dalam rentang cahaya UV, menunjukkan puncak yang jelas yaitu di 4,62 eV.

Gambar.2.2 spektrum konduktivitas graphene monolayer (Kin Fai Mak, 2008)

2.3 Gelombang ElektromagnetikSpektroskopi UV-Vis menggunakan gelombang elektromagnetik pada daerah ultra violet (UV) dan sinar tampak (visible) (Takeshi morikawa, 2010). Daerah sinar tampak mulai dari warna merah (panjang gelombang 700 nm) sampai warna ungu (panjang gelombang 400 nm), sedangkan daerah ultra violet berada pada kisaran panjang gelombang 180-380 nm. Radiasi UV-Vis yang diabsorbsi oleh bahan akan mengakibatkan terjadinya transisi elektronik, yaitu elektron-elektron dari orbital dasar akan tereksitasi ke orbital yang lebih tinggi.Diagram sederhana spektrometer UV-Vis dapat dilihat pada Gambar 2.2 berikut ini.

Gambar 2.3 Diagram spektrometer (Tony Owen, 2000)Diagram spektrometer terdiri dari sumber cahaya polikromatis, monokromator, sampel (lapisan tipis) dan detektor. Sumber radiasi berupa sinar UV dan sinar tampak (visible), monokromator merupakan alat optik yang mengubah radiasi polikromatik menjadi monokromatik. Detektor yang digunakan pada spektrometer UV-Vis berupa detektor fotolistrik (Tony Owen, 2000) . Selain menggunakan uv-vis, material juga di karakterisasi menggunakan spektroskopi Raman.Spektroskopi Raman adalah metode penentuan senyawa berdasarkan gerakan molekul, yang dinamakan vibrasi molekul. Senyawa yang terukur pada Raman Spektrometer adalah senyawa yang mengalami perubahan polarisasi karena vibrasi. Spektroskopi ini berhubungan dengan hamburan foton sampel bila disinari dengan laser. Spektroskopi Raman dapat digunakan untuk tujuan analisis kualitatif dan kuantitatif serta sampel dapat berupa fasa padatan, cairan, dan gas.Prinsip Spektroskopi Raman adalah apabila sinar laser mengenai sampel, foton akan diabsorpsi oleh sampel kemudian dihamburkan. Secara umum, hamburan foton memiliki panjang gelombang yang sama dengan panjang gelombang foton yang datang, dikenal dengan hamburan Rayleigh. Tetapi, ada fraksi kecil dari hamburan bergeser ke panjang gelombang yang berbeda. Pergeseran panjang gelombang ini dinamakan efek Raman. Kebanyakan foton hamburan Raman bergeser ke panjang gelombang yang lebih besar (Stokes shift) dan sebagian kecil bergeser ke panjang gelombang yang lebih kecil (anti-stokes shift). Pada Raman Spektroskopi yang digunakan adalah stokes shift karena probabilitasnya lebih besar. Dalam hamburan Rayleigh, elektron kembali ke level energi yang sama. Hamburan Raman stokes terjadi apabila energi akhir lebih besar dari energi awal, sedangkan hamburan Raman anti-stokes terjadi apabila energi akhir lebih kecil dari energi awal(A.C Ferarri et.al, 2006).2.4 Konsep dasar ElektrospinningTeknologi elektrospinning adalah salah satu bidang nanoteknologi yang berkembang pesat dan elektrospinning digunakan untuk memproduksi serat nano (nanofiber) dan partikel nano (nanoparticle) dari bahan organik, anorganik dan komposit. Secara sederhana proses elektrospinning dirancang dengan menggunakan arus listrik tegangan tinggi dan kemudian larutan di-charging dengan tegangan tinggi tersebut. Kemudian apabila daya dorong mekanik dan listrik mampu mengalahkan gaya tegangan permukaan maka terbentuk polimer jet. Polimer jet ini bergerak ke arah kolektor. Dalam perjalanan menuju kolektor terjadi pengurangan diameter jet dan pada saat sampai pada kolektor polimer sudah hampir kering dan diameter serat sudah dalam ukuran nano (J. Vonch et al, 2007).

Gambar 2.4. Proses elektrospinning skala laboratorium bertekanan konstan (Margaret, 2007)

Elektrospinning menggunakan suatu muatan listrik untuk membentuk serat halus (biasanya dalam skala mikro dan nano) dari suatu cairan/larutan. Elektrospinning memiliki karakteristik dengan adanya proses penyemprotan elektron (electrospraying). Prosesnya tidak memerlukan penggunaan pengentalan secara kimia (coagulation) atau temperatur yang tinggi utnuk menghasilkan serat padat dari larutan. Hal ini lah yang membuat proses tersebut secara khusus sesuai dengan pembuatan nanofiber menggunakan molekul yang banyak dan kompleks (Moses M. Hohman, et al, 2001). Dalam proses elektrospinning sebuah tegangan yang tinggi digunakan untuk menghasilkan pancaran gas bermuatan secara listrik dari larutan polimer, dimana membentuk suatu serat polimer. Satu elektroda ditempatkan ke dalam larutan yang berputar dan yang satunya melekat pada kolektor. Medan listrik diarahkan ke ujung sebuah tabung kapiler yang mengandung larutan polimer yang tertahan oleh tegangan permukaannya. Ini menginduksi sebuah muatan pada permukaan cairan (Wahyudi, Tatang, 2008).

Gambar 2.5. Diagram penyusunan serat oleh elektrospinning (Margaret, 2007)

Tolakan timbal-balik ini menyebabkan sebuah gaya yang searah melawan tegangan permukaannya. Karena intensitas dari medan listrik meningkat, permukaan cairan berbentuk setengah bola berada pada ujung tabung kapiler diperpanjang untuk membentuk sebuah bentuk kerucut yang dikenal sebagai kerucut Taylor(J.R. Melcher et al, 1971). Dengan adanya peningkatan medan listrik, suatu nilai kritis dicapai ketika gaya tolakan elektrostatik mengatasi tegangan permukaan dan suatu pancaran gas bermuatan disemburkan dari ujung kerucut Taylor (C. Pantano et al, 1994). Pancaran larutan polimer yang dilepaskan mengalami sebuah proses pancaran dimana pelarutnya berevaporasi, meninggalkan sebuah serat polimer bermuatan, yang mana pembentukannya secara acak pada suatu lapisan logam kolektor yang di-ground-kan. Dalam hal ini pencairan pancaran larutan yang dilepaskan membentuk ketika pancaran tersebut melewati udara dan mengumpul pada bagian lapisan logam yang di ground-kan (Moses M. Hohman et al, 2001).

BAB 3. METODE PENELITIAN1. Waktu dan Tempat PenelitianPenelitian kajian efek doping polymer pada interaksi many body dalam graphene nanofiber yang dibentuk menggunakan elektrospinning akan dilakukan selama 6 bulan di Laboratorium Penelitian dan Pengujian Terpadau (LPPT) UGM Yogyakarta.2. Tahapan PenelitianProsedur penelitian meliputi studi literatur, sintesis bahan, karakterisassi bahan dan analisa data. Studi literatur dilakukan dengan cara mengumpulkan pustaka mengenai efek doping pada interaksi many body dalam graphene nanofiber. Studi literatur diperoleh berdasarkan jurnal maupun buku yang bersumber dari perpustakaan dan internet.Sintesis bahan dilakukan dengan membuat variasi konsentrasi doping P Base 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% dan 50% menggunakan aquades. Kemudian grapahene oxide 1 mg di dispersikan dalam 10 ml DMF dengan menggunakan sonikasi. Variasi konsentrasi masing-masing polimer dicampur dengan hidrazin monohydrate 100 ml. Larutan tersebut dipanaskan dengan suhu 80oC selama 24 jam. Produk tersebut di sentrifugasi, dicuci dan dikeringkan menggunakan ethanol dalam ruang vakum.Tahap pembuatan nanofiber menggunakan elektrospinning. Dalam proses elektrospinning sebuah tegangan yang tinggi digunakan untuk menghasilkan pancaran gas bermuatan secara listrik dari larutan polimer, dimana membentuk suatu serat polimer. Satu elektroda ditempatkan ke dalam larutan yang berputar dan yang satunya melekat pada kolektor. Medan listrik diarahkan ke ujung sebuah tabung kapiler yang mengandung larutan polimer yang tertahan oleh tegangan permukaannya.Karakterisasi nanofiber menggunakan spektrometer Uv-Vis untuk melihat serapan yang akan digunakan untuk mencari besarnya konduktivitas. Untuk mengetahui terbentuk atau tidak nya material yang dibuat. Analisis interaksi many body menggunakan model fano. Untuk menghitung fraksi perubahan reflektansi dapat diselesaikan dengan persamaan Maxwell yaitu menggunakan persamaan 2.5,

dengan ns adalah indek refraksi substrat (kaca/Si), Rg+s adalah reflektansi graphene dan substrat, Rs adalah reflektansi dari substrat dan A adalah nilai absorbansi nya (E, Hecht, 1998). Sedangkan hubungan konduktivitas dengan absorbansi dapat ditunjukkan dengan persamaan 2.6 berikut (I, H. Malitson, 1965):

Setelah melakukan karakterisasi menggunakan uv-vis, nanofiber dikarakterisasi menggunakan spektroskopi Raman untuk mengetahui apakah nanofiber sudah terbentuk. Keseluruhan tahapan penelitian tentang kajian efek doping polymer pada interaksi many body dalam graphene nanofiber yang dibentuk menggunakan elektrospinning disajikan pada Gambar 2.

Gambar 3.1. Diagram alir3. Bahan dan Alat PenelitianBahan dan peralatan yang digunakan dalam penelitian ini secara lengkap disajikan pada Tabel 3.1.Tabel 3.1 Bahan dan peralatan yang digunakan dalam penelitian Bahan Serbuk Graphene Oxide P-Base DMF Substrat kaca Ethanol Aquades

Peralatan Neraca Digital nst 0,00001 gram Beaker Glass Pipet Tabung reaksi Furnace Spektrometer UV-Vis Spektrometer Raman Elektrospinning

JADWAL PENELITIANPerkiraan jadwal kegiatan penelitian adalah 6 Bulan. Dirangkum pada Tabel 3.Tabel 3. Jadwal kegiatan penelitian Tesis No.Jenis KegiatanBulan

(Praktis)IIIIIIIVVVI

123412341234123412341234

1Studi pustaka dan diskusi

2Persiapan alat dan bahan

3Sintesis bahan

4Analisis data

5Penyusunan laporan

6Seminar dan ujian tesis

DAFTAR PUSTAKAA.C.Ferrari, J.C. Meyer, V.Scardaci. C. Casiraghi, M. Lazzeri, F. Mauri, S.Piscanec, D. Jiang, K.S. Novoselov, S. Roth, A.K.Geim. Raman Spectrum of graphene layer. PRL 97, 187401. 2006Andrey E. Miroshnichenko, Sergej Flach, Yuri S. Kivshar. Fano Resonances in nanoscale structures. Review of modern physics, vol 82. 2010 C. Pantano, A. M. Ganan-Calvo, and A. Barrero, Zeroth-order, electrohydrostatic solution for electrospraying in cone-jet mode, J. Aerosol Sci.25, 1065 ~1994!

Christina D., Reflektansi Dan Transmitansi Cahaya Pada Larutan Gula dan Larutan Garam, Jurnal Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Diponegoro. 2005.

De Arco Lewis Gomes, Zhang Yi dan Zhou Chongwu , Large Scale Graphene by Chemical Vapor Deposition: Synthesis, Characterization and Applications, in Graphene Synthesis, Characterization, Properties And Application Edited by Jian Ru Gong , Intechweb.org ISBN 978-953-307-292-0. 2011

Dong Liang- Xu, dan Chen Qiang, , Properties, Synthesis, and Characterization of Graphene, Front. Mater. Sci. China, 4(1): 4551. 2010

E. Hecht, Optics. Addison-Wesley, Reading, MA, Chap. 9.7.1. 1998

Geim, A dan Novoselov, K., The Rise of Graphene, Nature Material Vol 6 March .2007

Grigorieva, S. V. Dubonos, and A. A. Firsov,Nature (London)438, 197.2005

Han Zhang, Qiaoliang Bao, Dingyuan Tang, Luming Zhao, Kianping Loh. Large energy soliton erbium-doped fiber laser with a graphene-polymer composite mode locker.2006

H. Malitson, J. Opt. Soc. Am. 55, 1205.1965

H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov, and K. Geim, Rev. Mod. Phys. 81, 109 .2009

J. R. Melcher and E. P. Warren, Electrohydrodynamics of current carrying semi-insulating jet, J. Fluid Mech. 47,127~1971

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, M. I. Katsnelson, I. V. electric field effect in atomically thin carbon films. Sci306,666. 2004

K. F. Mak et al., Phys. Rev. Lett. 101, 196405. Measurement of the optical conductivity of graphene. 2008

Lu Ting, et.al, 2011, Microwave-assisted synthesis of grapheneZnO Nanocomposite for Electrochemical Supercapacitors, Journal of Alloys and Compounds 509 54885492. 2011

Margareth W. Frey, Lei Li. Electrospinning Porosity Measurement of Nylon-6/Poly(ethylene oxide) Blended Nonwovens. Journal of engineered fibers and fabrics.vol 2. 2007

Matte, H.S.S.S.R, Subrahmanyam, K.S, Rao, CNR, 2011, Synthetic Aspects and Selected Properties of Graphene, Nanomater. Nanotechnol, vol 1, no 1,3 13. 2011

M.D Stoller, Sungjin Park, Yanwu Zhu, Jinho An, Rodney S. Ruoff. Graphene- Based Ultracapacitors. NanoLett.2008

Quynh P. Pham, Upma Sharma, Ph.D., And Antonios G. Mikos, Ph.D. Electrospinning of Polymeric Nanofibers for Tissue Engineering Applications. Vol 12 No. 5. 2006

T. M. Schmidt, R. H. Miwa, and A. Fazzio,Phys.Rev.B81, 195413.2010T.O. Wehling, I. Grigorenko, A.I.Lichtenstein, A.V. Balatsky. Phonon-Mediated Tunneling into Graphene. PRL101. 2008

Takeshi morikawa, Ryoji Asahi, Takasi ohwaki, Koyu aoki. Visible-light Photocatalyst-Nitrogen-doped Titanium Dioxide. R&D Review of Toyota CRDL Vol.40 No. 3. hal 45-49. 2003.

Tony Owen. Fundamentals of Modern UV-visible spectroscopy. Agilent Technology. 2000

V. N. Kotov, B. Uchoa, V. M. Pereira, F. Guinea, and A. H. Castro Neto, Rev. Mod. Phys. 84, 1067.2012

Wahyudi, T.,Rismayani, S., Aplikasi Nanoteknologi pada Bidang Tekstil, Bandung: Balai Besar Tekstil. Arena Tekstil 23-2, (52-109) .2008

3