Pada tahun 2010, Geim dan Novoselov memenangkan Hadiah Nobel Fisika atas karya mereka tentang grafena. Penghargaan ini meninggalkan kesan mendalam pada banyak orang. Bagaimanapun, tidak setiap alat eksperimental peraih Hadiah Nobel sama lazimnya dengan pita perekat, dan tidak setiap objek penelitian seajaib dan semudah dipahami seperti grafena, "kristal dua dimensi". Karya yang dilakukan pada tahun 2004 dapat dianugerahi penghargaan pada tahun 2010, yang merupakan hal langka dalam catatan Hadiah Nobel beberapa tahun terakhir.
Grafena adalah sejenis zat yang terdiri dari lapisan tunggal atom karbon yang tersusun rapat membentuk kisi heksagonal sarang lebah dua dimensi. Seperti intan, grafit, fullerene, nanotube karbon, dan karbon amorf, grafena adalah zat (zat sederhana) yang tersusun dari unsur-unsur karbon. Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, fullerene dan nanotube karbon dapat dilihat sebagai gulungan dari lapisan tunggal grafena, yang tersusun dari banyak lapisan grafena. Penelitian teoretis tentang penggunaan grafena untuk menggambarkan sifat berbagai zat sederhana karbon (grafit, nanotube karbon, dan grafena) telah berlangsung selama hampir 60 tahun, tetapi secara umum diyakini bahwa material dua dimensi tersebut sulit untuk eksis secara stabil sendiri, hanya menempel pada permukaan substrat tiga dimensi atau di dalam zat seperti grafit. Baru pada tahun 2004 Andre Geim dan muridnya Konstantin Novoselov berhasil melepaskan lapisan tunggal grafena dari grafit melalui eksperimen, sehingga penelitian tentang grafena mencapai perkembangan baru.
Baik fullerene (kiri) maupun nanotube karbon (tengah) dapat dianggap sebagai hasil penggulungan oleh satu lapisan graphene, sedangkan grafit (kanan) tersusun dari beberapa lapisan graphene melalui hubungan gaya van der Waals.
Saat ini, graphene dapat diperoleh dengan berbagai cara, dan metode yang berbeda memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing. Geim dan Novoselov memperoleh graphene dengan cara yang sederhana. Menggunakan selotip transparan yang tersedia di supermarket, mereka melepaskan graphene, lembaran grafit dengan ketebalan hanya satu lapisan atom karbon, dari sepotong grafit pirolitik tingkat tinggi. Cara ini praktis, tetapi kontrolabilitasnya kurang baik, dan hanya graphene dengan ukuran kurang dari 100 mikron (sepersepuluh milimeter) yang dapat diperoleh, yang dapat digunakan untuk eksperimen, tetapi sulit digunakan untuk aplikasi praktis. Deposisi uap kimia dapat menumbuhkan sampel graphene dengan ukuran puluhan sentimeter pada permukaan logam. Meskipun area dengan orientasi yang konsisten hanya 100 mikron [3,4], hal ini telah sesuai untuk kebutuhan produksi beberapa aplikasi. Metode umum lainnya adalah memanaskan kristal silikon karbida (SIC) hingga lebih dari 1100 ℃ dalam ruang hampa, sehingga atom silikon di dekat permukaan menguap, dan atom karbon yang tersisa tersusun ulang, yang juga dapat menghasilkan sampel grafena dengan sifat yang baik.
Grafena adalah material baru dengan sifat unik: konduktivitas listriknya sama baiknya dengan tembaga, dan konduktivitas termalnya lebih baik daripada material lain yang dikenal. Material ini sangat transparan. Hanya sebagian kecil (2,3%) dari cahaya tampak yang datang secara vertikal akan diserap oleh grafena, dan sebagian besar cahaya akan melewatinya. Kepadatannya sangat tinggi sehingga bahkan atom helium (molekul gas terkecil) pun tidak dapat melewatinya. Sifat-sifat ajaib ini tidak diwarisi langsung dari grafit, tetapi dari mekanika kuantum. Sifat listrik dan optiknya yang unik menentukan prospek aplikasinya yang luas.
Meskipun graphene baru muncul kurang dari sepuluh tahun, ia telah menunjukkan banyak aplikasi teknis, yang sangat jarang terjadi di bidang fisika dan ilmu material. Dibutuhkan lebih dari sepuluh tahun atau bahkan beberapa dekade bagi material umum untuk beralih dari laboratorium ke kehidupan nyata. Apa kegunaan graphene? Mari kita lihat dua contoh.
Elektroda lunak transparan
Dalam banyak peralatan listrik, material konduktif transparan perlu digunakan sebagai elektroda. Jam tangan elektronik, kalkulator, televisi, layar kristal cair, layar sentuh, panel surya, dan banyak perangkat lainnya tidak dapat lepas dari keberadaan elektroda transparan. Elektroda transparan tradisional menggunakan indium timah oksida (ITO). Karena harga yang tinggi dan pasokan indium yang terbatas, material ini rapuh dan kurang fleksibel, dan elektroda perlu diendapkan di lapisan tengah vakum, dan biayanya relatif tinggi. Untuk waktu yang lama, para ilmuwan telah mencoba menemukan penggantinya. Selain persyaratan transparansi, konduktivitas yang baik, dan kemudahan pembuatan, jika fleksibilitas material itu sendiri baik, maka akan cocok untuk membuat "kertas elektronik" atau perangkat tampilan lipat lainnya. Oleh karena itu, fleksibilitas juga merupakan aspek yang sangat penting. Grafena adalah material seperti itu, yang sangat cocok untuk elektroda transparan.
Peneliti dari Samsung dan Universitas Chengjunguan di Korea Selatan memperoleh graphene dengan panjang diagonal 30 inci melalui deposisi uap kimia dan mentransfernya ke film polietilen tereftalat (PET) setebal 188 mikron untuk menghasilkan layar sentuh berbasis graphene [4]. Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, graphene yang tumbuh pada foil tembaga pertama-tama diikat dengan pita pengupas termal (bagian transparan biru), kemudian foil tembaga dilarutkan dengan metode kimia, dan akhirnya graphene ditransfer ke film PET dengan pemanasan.
Peralatan induksi fotolistrik baru
Grafena memiliki sifat optik yang sangat unik. Meskipun hanya terdiri dari satu lapisan atom, grafena dapat menyerap 2,3% cahaya yang dipancarkan dalam seluruh rentang panjang gelombang dari cahaya tampak hingga inframerah. Angka ini tidak ada hubungannya dengan parameter material grafena lainnya dan ditentukan oleh elektrodinamika kuantum [6]. Cahaya yang diserap akan menyebabkan terbentuknya pembawa muatan (elektron dan lubang). Pembentukan dan pengangkutan pembawa muatan dalam grafena sangat berbeda dari semikonduktor tradisional. Hal ini membuat grafena sangat cocok untuk peralatan induksi fotolistrik ultra cepat. Diperkirakan bahwa peralatan induksi fotolistrik tersebut dapat beroperasi pada frekuensi 500 GHz. Jika digunakan untuk transmisi sinyal, peralatan ini dapat mengirimkan 500 miliar angka nol atau satu per detik, dan menyelesaikan transmisi isi dua cakram Blu-ray dalam satu detik.
Para ahli dari IBM Thomas J. Watson Research Centre di Amerika Serikat telah menggunakan graphene untuk memproduksi perangkat induksi fotolistrik yang dapat bekerja pada frekuensi 10 GHz [8]. Pertama, serpihan graphene disiapkan pada substrat silikon yang dilapisi silika setebal 300 nm dengan “metode sobek pita”, dan kemudian elektroda palladium emas atau titanium emas dengan interval 1 mikron dan lebar 250 nm dibuat di atasnya. Dengan cara ini, perangkat induksi fotolistrik berbasis graphene diperoleh.
Diagram skematik peralatan induksi fotolistrik graphene dan foto mikroskop elektron pemindaian (SEM) dari sampel sebenarnya. Garis pendek hitam pada gambar sesuai dengan 5 mikron, dan jarak antara garis logam adalah satu mikron.
Melalui eksperimen, para peneliti menemukan bahwa perangkat induksi fotolistrik struktur logam graphene ini dapat mencapai frekuensi kerja maksimal 16 GHz, dan dapat bekerja dengan kecepatan tinggi dalam rentang panjang gelombang dari 300 nm (dekat ultraviolet) hingga 6 mikron (inframerah), sementara tabung induksi fotolistrik tradisional tidak dapat merespons cahaya inframerah dengan panjang gelombang yang lebih panjang. Frekuensi kerja peralatan induksi fotolistrik graphene masih memiliki ruang yang besar untuk ditingkatkan. Kinerjanya yang unggul membuatnya memiliki prospek aplikasi yang luas, termasuk komunikasi, kendali jarak jauh, dan pemantauan lingkungan.
Sebagai material baru dengan sifat unik, penelitian tentang aplikasi graphene terus bermunculan. Sulit bagi kita untuk menyebutkan semuanya di sini. Di masa depan, mungkin akan ada tabung efek medan yang terbuat dari graphene, sakelar molekuler yang terbuat dari graphene, dan detektor molekuler yang terbuat dari graphene dalam kehidupan sehari-hari… Graphene yang secara bertahap keluar dari laboratorium akan bersinar dalam kehidupan sehari-hari.
Kita dapat memperkirakan bahwa sejumlah besar produk elektronik yang menggunakan graphene akan muncul dalam waktu dekat. Bayangkan betapa menariknya jika ponsel pintar dan netbook kita dapat digulung, dijepit di telinga, dimasukkan ke dalam saku, atau dililitkan di pergelangan tangan saat tidak digunakan!
Waktu posting: 09-03-2022