[oleh: Eko Widiatmoko, Mahasiswa magister Fisika ITB]

Susunan atom-atom karbon dalam kisi segi enam memiliki sifat-sifat yang menarik untuk elektronik masa depan.
Setiap orang tentu pernah melihat karbon, minimal dalam dua bentuk alaminya (alotrop), atau kalau beruntung, tiga bentuk. Tiga bentuk tersebut adalah:

• Grafit, terdapat dalam pensil.
• Arang dan jelaga, terdapat (dan biasa dimakan) dalam sate.
• Intan, terdapat dalam perhiasan, atau dalam industri, mata bor.

Namanya ilmuwan, selalu saja mencari hal-hal baru untuk diteliti, dimanfaatkan, dijual, dan ditulis. Salah satu topik yang hangat dalam 5 tahun terakhir adalah tentang salah satu bentuk karbon, yang disebut:

GRAPHENE

Graphene merupakan susunan atom karbon dalam kerangka segi enam seperti sarang lebah. Grafit merupakan tumpukan lembaran-lembaran seperti ini yang disatukan oleh gaya Van der Waals. Mengapa graphene menarik? Ada beberapa alasan.

1. Graphene adalah lembaran yang sangat tipis. Inilah materi dalam bentuk lembaran yang paling tipis yang ada. Tapi sifat ini saja belum berarti banyak tanpa sifat-sifat berikutnya.
2. Graphene 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). Bandingkan dengan tembaga, misalnya. 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 (ini penting untuk peneliti fisika material).
3. Graphene hampir transparan. Persentase cahaya yang diserap ketika menembus graphene adalah ? x ?, (alfa: konstanta struktur halus dalam teori atom) atau sekitar 2,3%. Ini menyebabkan graphene bisa dipakai sebagai lapisan konduktor transparan, misalnya untuk panel surya.
4. Dalam beberapa hal, graphene mirip dengan Carbon Nanotube (CNT), misalnya kerangka segi enam, konduktivitas, dan kekuatan mekanik. Graphene serupa dengan CNT yang dipotong hingga terbuka.

Sebagian penelitian tentang graphene adalah mengenai teori dan pemodelan. Sebagian lain adalah tentang bagaimana membuat graphene. Sebagian lain lagi adalah tentang bagaimana menggunakan graphene dalam berbagai peralatan. Mari kita bahas pembuatan graphene.

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 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 mikroskopik 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 dalam grafit adalah dalam cairan. Dengan menambahkan zat tertentu atau perlakuan tertentu, misalnya pemberian gelombang suara, lapisan-lapisan graphene terlepas, lalu diendapkan dan dikumpulkan.

Metode lain yang telah diciptakan orang untuk membuat graphene adalah bukan dengan memereteli kristal grafit, tetapi 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 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 ini yang disebut Chemical Vapor Deposition (CVD), 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?).

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, konduktivitas berkurang, dan lain-lain.

Penggunaan graphene misalnya 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. Graphene lebih unggul dibandingkan CNT karena:

• CNT perlu dipasang, sedangkan graphene bisa ditumbuhkan langsung dan diukir di tempat membentuk transistor dan rangkaiannya sekaligus.
• Kontak listrik CNT ke rangkaian sulit dibuat. Kontak listrik graphene ke rangkaian sangat rapi, karena rangkaiannya juga terbuat dari graphene.

Kesimpulannya?

1. Penelitian tentang graphene masih terbuka. Siapa berminat?
2. Komputer masa depan mungkin terbuat sepenuhnya dari karbon.

Referensi?
Ada banyak, salah satunya Wikipedia
Kalau mau lebih lengkap, silakan unduh artikel ini: Graphene: Sifat, Fabrikasi, dan Aplikasinya.