Dari Sebatang Karbon

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.