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 π x α, (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.

Sel surya merupakan suatu devais semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Proses penghasilan energi listrik itu diawali dengan proses pemutusan ikatan elektron pada atom-atom yang tersusun dalam kristal semikonduktor ketika diberikan sejumlah energi (hf). Salah satu bahan semikonduktor yang biasa digunakan sebagai sel surya adalah kristal silikon.

[Sketsa penampang dua dimensi dari kristal silikon.]

» SEMIKONDUKTOR TIPE-P DAN TIPE-N

Ketika suatu kristal silikon di-doping dengan unsur golongan kelima, misalnya arsen, maka atom-atom arsen itu akan menempati ruang diantara atom-atom silikon yang mengakibatkan munculnya elektron bebas pada material campuran tersebut. Elektron bebas tersebut berasal dari kelebihan elektron yang dimiliki oleh arsen terhadap lingkungan sekitarnya, dalam hal ini adalah silikon. Semikonduktor jenis ini kemudian diberi nama semikonduktor tipe-n. Hal yang sebaliknya terjadi jika kristal silikon di-doping oleh unsur golongan ketiga, misalnya boron, maka kurangnya elektron valensi boron dibandingkan dengan silikon mengakibatkan munculnya hole yang bermuatan positif pada semikonduktor tersebut. Semikonduktor ini dinamakan semikonduktor tipe-p. Adanya tambahan pembawa muatan tersebut mengakibatkan semikonduktor ini akan lebih banyak menghasilkan pembawa muatan ketika diberikan sejumlah energi tertentu, baik pada semikonduktor tipe-n maupun tipe-p.

[Semikonduktor tipe-p (kiri) dan tipe-n (kanan).]

[Diagram pita energi semikonduktor tipe-p (kiri) dan tipe-n (kanan).]

» SAMBUNGAN P-N

Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n disambungkan maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari tipe-n menuju tipe-p. Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p. Batas tempat terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut dengan daerah deplesi. Adanya perbedaan muatan pada daerah deplesi akan mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi selanjutnya. Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift. Namun arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut.

[Diagram energi sambungan p-n dan munculnya daerah deplesi.]

Lantas, bagaimana elektron-elektron yang terlepas dari atom-atom kristal semikonduktor dapat mengalir sehingga menimbulkan energi listrik?
Sebagaimana yang kita ketahui bersama, elektron adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik. Kehadiran medan listrik pada elektron dapat mengakibatkan elektron bergerak. Hal inilah yang dilakukan pada sel surya sambungan p-n, yaitu dengan menghasilkan medan listrik pada sambungan p-n agar elektron dapat mengalir akibat kehadiran medan listrik tersebut.

[Kurva I-V sel surya pada keadaan gelap dan diberikan cahaya.]

Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan elektron dan hole pada semikonduktor tersebut. Lepasnya pambawa muatan tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi. Adanya kelebihan muatan ini akan mengakibatkan muatan ini bergerak karena adanya medan listrik pada daerah deplesi. Pada keadaan ini, arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift, yaitu arus yang dihasilkan karena kemunculan medan listrik. Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya sambungan p-n sebagai arus listrik.

Nanoteknologi adalah teknologi masa depan. Pernyataan ini bukanlah omong kosong belaka karena material nano memang menunjukkan sifat-sifat luar biasa yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai kebutuhan hidup manusia. Salah satu material nano paling unik dan memiliki sifat luar biasa adalah CNT (kependekan dari carbon nanotube).

CNT merupakan sebuah rantai atom karbon yang berikatan secara heksagonal berbentuk tabung silinder dengan diameter 1 hingga 2 nanometer (1 nano = sepersemilyar bagian). Panjangnya dapat mencapai beberapa puluh mikrometer hingga sentimeter dengan ujung memiliki tutup seperti pil obat (Hill dan Petrucci, 2002). Sejak pertama kali ditemukan di lab NEC, Jepang (Iijima, 1991), telah ada beragam akitivitas penelitian untuk mengungkap sifat listrik CNT dan potensi aplikasinya, terutama dalam dunia elektronika.

Berdasarkan jumlah dindingnya, CNT secara umum dapat dikelompokkan menjadi dua macam, yaitu CNT berdinding tunggal (single-walled CNT atau SWNT) dan CNT berdinding banyak (multi-walled CNT atau MWNT). Sifat-sifat CNT yang luar biasa itu kemudian dapat diturunkan secara spesifik dengan menganalisis lembaran penyusun dinding tersebut, yaitu graphene (grafit berbentuk lembaran) yang digulung menjadi silinder.

Ada banyak cara untuk menggulung lembaran graphene menjadi sebuah CNT, persis seperti ketika kita ingin menggulung selembar kertas. Arah dari penggulungan lembaran tersebut akan menentukan arah ikatan heksagonal pada CNT, yang kemudian sangat menentukan sifat listrik CNT dengan geometri tersebut. Untuk mengkarakterisasi sebuah CNT dengan geometri tertentu, diberikan parameter bilangan bulat (n, m), yang disebut dengan vektor chiral. Panjang dari vektor chiral ini akan menjadi keliling CNT, yaitu bagian panah vektor harus bertemu dengan bagian ekornya ketika diputar menjadi lingkaran.

Berdasarkan teori zat padat, para fisikawan berhasil memperoleh fakta bahwa CNT memiliki kelakuan listrik yang “ganda”, yaitu sebagai logam atau semikonduktor. Jika (n–m)/3 merupakan bilangan bulat, maka CNT bersifat logam, sedangkan jika (n–m)/3 bukan bilangan bulat, maka CNT bersifat semikonduktor. Menarik sekali karena ternyata kemampuan hantaran listrik CNT, apakah sebagai logam atau semikonduktor, hanya bergantung pada geometrinya.

Keunikan sifat listrik CNT pada dasarnya merupakan ‘turunan’ sifat dari struktur elektronik yang tidak biasa dari graphene dengan ikatan karbon sp². Graphene memiliki keadaan yang mampu menghantarkan listrik dengan tingkat energi yang ada di perbatasan struktur elektronik. Keadaan ini biasa disebut zero bandgap semiconductor atau semimetal karena bersifat logam (konduktor) pada arah tertentu dan semikonduktor pada arah lainnya.

Pada CNT, proses penggulungan menyebabkan momentum elektron jadi terkuantisasi dan mereduksi jumlah keadaan yang tersedia dibanding struktur dua dimensinya (graphene). Hasil kuantisasi ini berujung pada bentuk CNT satu dimensi yang dapat bersifat sebagai logam saja atau semikonduktor saja, tergantung vektor chiral-nya. Prediksi teoretik ini telah terbukti kebenarannya melalui sejumlah eksperimen. Salah satu metode pengukuran langsung adalah dengan menggunakan STM (scanning tunneling microscopy) untuk mendapatkan gambaran struktur atom CNT dan menyelidiki struktur elektroniknya (Odom dkk, 1998).

CNT dapat dibuat dengan proses penumbuhan melalui kombinasi sumber karbon dengan material katalisator seperti besi atau kobalt pada temperatur tertentu. Sumber karbon di sini dapat beragam bentuknya, misalnya, hidrokarbon, grafit, dan karbon monoksida. CNT akan ‘tumbuh menurut arah tertentu setelah katalis bercampur dengan sumber karbon. Penumbuhan yang terus menerus akan menambah panjang CNT hingga dapat mencapai beberapa ratus mikron (Franklin dan Dai, 2000).

Pengaturan kondisi yang tepat untuk proses penumbuhan dapat dilakukan dengan cara yang beragam. Dari sudut pandang fabrikasi perangkat elektronik, teknik-teknik penumbuhan itu dibagi menjadi dua kategori. Kategori pertama adalah penumbuhan CNT dengan teknik sintesis material besar yang dideposisi pada substrat untuk membuat perangkat elektronik tertentu. Metode yang umum untuk kategori ini adalah arc synthesis (Iijima, 1991) dan laser ablation (Thess, 1996).

Kategori kedua adalah penumbuhan CNT langsung pada wafer atau substrat (Kong dkk, 1998). Caranya biasa dilakukan dengan teknik Chemical Vapour Deposition, atau disingkat CVD. Metode CVD ini pun ada beragam lagi macamnya, misalnya thermal CVD dan plasma CVD. Material katalis ditempatkan pada permukaan wafer dalam tungku dengan temperatur standar 700 s.d. 1000 ^oC yang dilalui aliran sumber karbon seperti gas metana. Dengan teknik ini dapat dihasilkan beberapa perangkat elektronik secara langsung, misalnya transistor efek medan (field effect transistor). Selain itu, beberapa penelitian sudah berhasil memproduksi memori data berbasis CNT, sensor, emisi elektron, dan banyak aplikasi elektronik lainnya.

Hasil-hasil tersebut menunjukkan bahwa CNT memang memiliki sifat-sifat yang luar biasa. Konduktivitas dan rapat arus CNT yang bersifat logam sama dengan dan bahkan melebihi logam terbaik yang pernah ada, demikian pula mobilitas CNT semikonduktor apabila dibandingkan dengan semikonduktor terbaik yang ada di muka bumi. Hal ini membuat CNT menjadi kandidat yang sangat menjanjikan sebagai material elektronik di masa depan. Peluang pun muncul untuk mengintegrasikan CNT dengan sistem-sistem lain seperti sistem kimiawi, mekanik, maupun biologis, misalnya sebagai sensor biomolekul atau perangkat elektromekanik.

Meskipun prototipe aplikasi CNT tersebut berhasil dibuat, tetapi perkembangan realisasinya dalam jumlah besar bisa dikatakan sangat lamban. Masalah utamanya berada pada tahapan fabrikasi. Sebagai contoh, diameter silinder (CNT) pada proses sintesis memang sudah dapat dikontrol dengan baik, tapi tidak dengan vektor chiral-nya. Akibatnya, CNT-CNT yang dihasilkan akan bercampur antara yang bersifat logam dengan semikonduktor dan keadaan ini tentu tidak baik untuk aplikasi selanjutnya.

Pada proses CVD, posisi dari tempat tumbuhnya CNT dapat dikontrol dengan membuat pola bahan katalis, tetapi jumlah CNT dan orientasinya relatif terhadap substrat masih belum terdefinisikan. Selain itu, temperatur yang terlalu tinggi untuk CVD konvensional (hingga 1000 ^oC) membuat proses penumbuhan CNT tidak cocok dengan proses standar silikon yang masih menjadi bahan utama perangkat elektronik saat ini.

Sebagai pendekatan alternatif, yaitu deposisi CNT pada substrat setelah fase penumbuhan, dapat menghindarkan permasalahan temperatur tinggi, tetapi justru muncul masalah baru pada penentuan posisi penumbuhan dan juga geometri CNT. Beberapa usaha kembali dicoba untuk mengatasi masalah ini, misalnya dengan menggunakan medan listrik untuk memandu CNT pada posisi tertentu selama penumbuhan dan deposisi (Zhang dkk, 2001), dengan perlakuan modifikasi permukaan (Liu dkk, 1999), atau seperti yang dilakukan di Fisika ITB dengan CVD plasma berfrekuensi tinggi (Sukirno dkk, 2006).

Hasilnya, mereka cukup sukses mengatasi masalah tersebut, tetapi masih belum dapat memproduksi dalam jumlah besar. Industri pembuat CNT yang cukup terkenal, yaitu Carbon Nanotechnologies Inc yang didirikan oleh peraih nobel kimia 1985 Rick Smalley, hanya mampu memproduksi CNT sekitar lima kilogram per hari sehingga harga jualnya masih tinggi. Industri lainnya, Showa Denko Jepang, hanya mampu memproduksi sekitar empat kilogram per hari.

Dengan demikian, satu-satunya masalah yang menghambat CNT untuk segera diterapkan secara massal dalam dunia elektronik adalah proses pembuatannya. Meskipun sudah banyak “mimpi” dan juga teori untuk membuat sebuah rangkaian elektronika yang “murni” CNT, tetapi selama proses fabrikasinya tidak berkembang maka keunggulan CNT hanya dapat terwujud dalam skala laboratorium, bukan untuk kebutuhan sehari-hari secara massal. Namun kita juga harus tetap optimis bahwa dengan perkembangan teknologi yang demikian pesatnya saat ini, mudah-mudahan suatu saat nanti CNT benar-benar dapat direalisasikan penggunaannya secara massal bagi kehidupan manusia.

Referensi:

• S. Datta, 1995, Electronic Transport in Mesoscopic Systems, Cambridge University Press.
• N.R. Franklin, H. Dai, 2000, An enhanced CVD approach to extensive nanotube networks with directionality, Advanced Materials, 12, 890-4.
• J.W. Hill dan R.H. Petrucci, 2002, General Chemistry: An Integrated Approach, 3rd edition, New Jersey: Prentice Hall, Inc.
• S. Iijima, 1991, Helical microtubules of graphitic carbon, Nature, 354, 56.
• J. Kong, H.T. Soh, A. Cassel, C.F. Quate, H. Dai, 1998, Synthesis of single Single-Walled Carbon Nanotubes on patterned silicon wafers, Nature, 395, 878.
• J. Liu, P. Boul, L. Wei, A.J. Rimberg, K.A. Smith, D.T. Colbert, R.E. Smalley, 1999, Controlled deposition of individual single-walled carbon nanotubes on chemically functionalized templates, Chemical Physics Letters, 303, 125-9.
• R. Saito, M. Fujita, M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, 1992, Electronic structure of chiral graphene tubules, Applied Physics Letters, 60, 2204-6.
• T. W. Odom, H. Jin-Lin, P. Kim, C.M. Lieber, Atomic structure and electronic properties of single-walled carbon nanotubes, Nature, 391, 62-4.
• Sukirno, S.Z. Bisri, L. Hasanah, Mursal, I. Usman, 2006, Low Temperature Carbon Nanotube Fabrication using Very High Frequency-Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition Method, Proc. ICSE 2006, Kuala Lumpur, Malaysia.
• Y. Zhang, A. Chang, J. Cao, Q. Wang, 2001, Electric-field-directed growth of aligned single-walled carbon nanotubes, Applied Physics Letters, 79, 3155-3157.