Setiap orang tentu pernah melihat karbon, minimalnya dalam dua bentuk alamiah (alotrop), atau kalau beruntung, dalam tiga bentuk alotrop: (1) grafit, terdapat dalam pensil, (2) arang dan jelaga, terdapat (dan biasa dimakan) dalam sate, serta (3) intan, terdapat dalam perhiasan, atau dalam industri, mata bor. Nah, namanya ilmuwan, selalu saja mencari hal-hal baru untuk diteliti, dimanfaatkan, dijual, dan ditulis. Salah satu topik terkait karbon yang hangat dalam beberapa tahun terakhir adalah alotrop karbon berbentuk lembaran atom yang disebut graphene. Saking hangatnya, penelitian terkait graphene pernah dianugerahi Nobel Fisika tahun 2010.
Graphene tersusun dalam kerangka segienam seperti sarang lebah dalam satu lembaran atom saja. Ini berbeda dengan grafit yang merupakan tumpukan lembaran-lembaran yang disatukan oleh gaya van der Waals. Mengapa graphene menarik untuk diteliti? Ada beberapa alasan.
Graphene adalah lembaran yang sangat tipis. Inilah materi dalam bentuk lembaran paling tipis yang pernah ada. Tapi sifat ini saja belum berarti banyak tanpa sifat-sifat berikutnya. Graphene juga memiliki konduktivitas listrik yang tinggi. Elektron-elektron dalam graphene bersifat relativistik, artinya kecepatannya luar biasa. Elektron dapat terbang lurus sejauh beberapa mikrometer sebelum menabrak sesuatu (yang tidak kelihatan, yang disebut fonon). Dalam pembahasan lebih jauh, dikatakan bahwa massa efektif elektron pada graphene bernilai nol. Nilai band gap, atau celah pita energi, yang dimiliki graphene adalah nol (fakta ini sangat penting untuk peneliti fisika material).
Graphene pada dasarnya hampir transparan. Persentase cahaya yang diserap ketika menembus graphene normal adalah sekitar 2,3%. Hal ini membuat graphene bisa dipakai sebagai lapisan konduktor transparan, misalnya untuk layar sentuh (touch screen). Namun, belakangan ini beberapa hasil riset malah menyebutkan bahwa serapan cahaya oleh graphene bisa divariasikan dengan geometri optik tertentu, jadi tidak hanya 2,3%, bahkan bisa sampai 100%. Tiga orang peneliti Indonesia terlibat dalam riset terkait topik tersebut pada tahun 2015. Aplikasinya nanti mungkin bisa untuk detektor cahaya, sel surya, dan antena optik.
Dalam beberapa hal, graphene mirip dengan kerabatnya dalam 1 dimensi, yakni carbon nanotube (CNT). Di antara kemiripan keduanya adalah sama-sama memiliki kerangka segienam, konduktivitas tinggi, dan kekuatan mekanis (baca juga rubrik teknologi majalah 1000guru edisi Mei 2015). Uniknya, CNT yang notabene lebih sulit disintesis dengan teknologi yang setara saat ini justru ditemukan jauh sebelum graphene. CNT pertama kali dikenal pada tahun 1991, sedangkan graphene pada tahun 2004.
Ada beberapa aspek penelitian tentang graphene. Tiga aspek yang menonjol adalah seputar teori dan pemodelan (baca juga rubrik fisika majalah 1000guru edisi Juni 2015), kemudian bagaimana membuat graphene, dan bagaimana menggunakan graphene dalam berbagai peralatan.
Cara membuat graphene yang paling sederhana adalah dengan selotip. Mulai dengan sekeping kristal grafit yang bagus, lalu kelupas lapisan demi lapisan dengan selotip sampai didapatkan lapisan yang paling tipis. Metode ini, yang disebut mechanical exfoliation, dilakukan pada tahun 2004 oleh sekelompok peneliti dari Universitas Manchester dan untuk pertama kalinya secara meyakinkan menghasilkan lapisan setipis satu atom saja. Cara yang lebih rumit adalah menggoreskan kristal grafit dengan peralatan mikroskopis pada suatu substrat. Lapisan-lapisan graphene terlepas satu demi satu (atau beberapa lapis sekaligus) dan menempel pada substrat. Cara yang sama kita lakukan saat menggoreskan pensil.
Cara lain untuk memisahkan lapisan-lapisan graphene pada grafit adalah dengan perlakuan tertentu dalam cairan. Dengan menambahkan zat tertentu dan pemberian gelombang suara, lapisan-lapisan graphene terlepas, lalu diendapkan dan dikumpulkan. Metode lain yang telah diciptakan para peneliti untuk membuat graphene adalah dengan menumbuhkan dari atom-atom. Cara pertama adalah dengan memanaskan kristal silikon karbida (SiC, karborondum, terdapat dalam ampelas) pada ruang hampa sampai suhu di atas 10.000 derajat celcius. Atom-atom silikon akan terbang pergi, menyisakan karbon yang menyusun dirinya menjadi graphene. Jumlah lapisan yang timbul biasanya beberapa lapis.
Graphene dapat pula ditumbuhkan pada logam, misalnya nikel dan tembaga. Dalam metode yang disebut Chemical Vapor Deposition (CVD) ini, logam panas dikenakan gas yang mengandung karbon seperti metana. Gas akan terurai pada suhu tinggi dan atom karbon menempel pada logam, membentuk graphene. Dengan metode ini, telah dapat ditumbuhkan graphene seluas beberapa sentimeter persegi yang sebagian besar terdiri dari satu lapis atom. Graphene yang sudah terbentuk bisa diangkat dan ditempelkan pada substrat lain dengan selamat (karena siapa perlu lembaran konduktor transparan di atas logam?).
Bagi beberapa peneliti, lembaran luas yang terdiri dari satu lapis atom karbon saja masih kurang menarik. Graphene dapat dipotong menjadi jalur-jalur sempit yang disebut graphene nanoribbon (GNR), diukir menjadi rangkaian elektronik, diberi doping, dan dijadikan transistor. Setelah dipotong menjadi pita, sifat graphene berubah. Timbul band gap yang berbanding terbalik dengan lebar pita dan bentuk tepi, konduktivitasnya berkurang, dan sifat-sifat unik lainnya.
Di antara aplikasi atau penggunaan graphene adalah dalam kapasitor dan transistor. Karena bentuk lembaran memiliki luas permukaan yang besar dibandingkan dengan massanya, sedangkan kapasitas kapasitor berhubungan dengan luas permukaan, maka kapasitor yang menggunakan graphene bisa dibuat ringan dan kapasitasnya besar.
Transistor yang terbuat dari graphene memiliki kecepatan yang sangat tinggi karena elektron graphene bergerak sangat cepat. Dikatakan bahwa rangkaian elektronik yang terbuat dari graphene akan dapat mencapai kecepatan 1 THz, atau sekitar 300-400 kali Pentium 4. Dalam hal ini, graphene lebih unggul dibandingkan CNT karena CNT perlu dipasang, sedangkan graphene bisa ditumbuhkan langsung dan diukir di tempat membentuk transistor dan rangkaiannya sekaligus. Selain itu, kontak listrik CNT ke rangkaian sulit dibuat. Kontak listrik graphene ke rangkaian sangat rapi karena rangkaiannya juga terbuat dari graphene.
Kesimpulannya:
- Penelitian tentang graphene masih terbuka. Siapa berminat?
- Komputer masa depan mungkin terbuat sepenuhnya dari karbon.
Bahan bacaan:
- https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene
- http://majalah1000guru.net/2015/06/sebatang-pensil-dan-material-nanokarbon/
- S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov: Electric field effect in atomically thin carbon films, Science 306, 666 (2004).
- S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, M. I. Katsnelson, I. V. Grigorieva, S. V. Dubonos, A. A. Firsov: Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene, Nature 438, 197(2005).
- R. Nair, P. Blake, A. N. Grigorenko, K. S. Novoselov, T. J. Booth, T. Stauber, N. M. R. Peres, A. K. Geim: Fine structure constant defines visual transparency of graphene, Science 320, 1308 (2008).
- M. S. Ukhtary, E. H. Hasdeo, A. R. T. Nugraha, R. Saito: Fermi energy dependence of electromagnetic wave absorption in graphene, Appl. Phys. Express 8, 055102 (2015).
Penulis:
Eko Widiatmoko, guru fisika di SMA Aloysius Bandung, alumnus ITB.
Kontak: e_ko_w(at)yahoo(dot)com.
