• 1

Resume Jurnal

PENGARUH ENKAPSULASI LOGAM TERHADAP NILAI CELAH PITA BORON NITRIDE
NANOTUBES(4,4)


Pendahuluan
Perangkat elektronik dan optoelektronik banyak  digunakan  oleh     masyarakat, dari peralatan rumah tangga sederhana dan sistem multimedia untuk komunikasi, komputasi, dan instrumen   medis.   Mengingat   permintaan semakin     meningkat,     menumbuhkan    minat dalam  pengembangan perangkat  nano  yang bisa memungkinkan fungsi baru dan atau meningkatkan  kinerja.  Kawat  nano  semi konduktor         muncul     sebagai    bahan     yang menarik,    melalui   pengendalian  pertumbuhan dan   pembentukan,   membuka    peluang   besar untuk   perangkat   fotonik  dan  elektronik   skala nano.     Contoh     prototipikal     dari    perangkat dengan  potensi  yang luas untuk  aplikasi adalah kawat nano Field Effect Transistor (FET) (Li et al.,
2006).
Material   nano   yang  cocok   untuk kebutuhan    semikonduktor   bidang    elektronik yaitu  Carbon Nanotube  (CNT).   CNT   memiliki sifat konduktor  ataupun  semikonduktor, tergantung penggulungannya. Tetapi CNT memiliki kelemahan pada stabilitas termalnya, karena CNT hanya mampu bertahan pada temperatur  500oC. Disisi lain, ada material  non- organik   yang  dapat   digunakan   sebagai pengganti   CNT   yaitu   Boron Nitride  Nanotubes (BNNTs).

Gambar 1. Struktural model dari BN nanotube
BNNTs   merupakan  material   yang   akan dapat     digunakan     dalam     berbagai    bidang. BNNTs   dapat   dipintal   menjadi   benang   putih dan tekstil yang dapat diwarnai.  Celah pita yang dapat diubah telah diteliti sebelumnya untuk perangkat optik dan elektronik. Bahan yang memiliki    luas   permukaan   dan    kemampuan untuk   mengikat   hidrogen   dan   molekul   lain sehingga  dapat  dipergunakan  dalam penyimpanan  bahan   bakar   yang   bersih   dan efisien. Kekakuan dan kekuatan tarik, dapat digunakan dalam struktur komposit dan alat pelindung penyerap energi (Cohen et al., 2010).
Sebagai analog struktur  dari CNT,  BNNTs memiliki  sifat  yang  istimewa  yaitu semikonduktor  celah  pita  lebar.  BNNTs   juga tahan  terhadap  oksidasi,  stabil hingga  700oC diudara. Sifat-sifat yang dimiliki ini menjadikan BNNTs kandidat menarik untuk nanoelektronik sebagai pengganti  CNT.  Akan tetapi BNNTs  ini memiliki  kelemahan   pada  nilai  celah  pitanya, yaitu    terlalu    lebar    untuk    material semikonduktor.  Untuk  aplikasi  bidang elektronik,  sangatlah   perlu  mengubah   struktur pita  BNNTs  untuk  memperoleh  sifat semikonduktor.
Penelitian  Chen et al. (2008) yang menggunakan emas nano (Au) untuk menghiasi permukaan BNNTs dalam upaya untuk memodifikasi   properti   listrik  dan  terkait  fitur bidang   emisi.   BNNTs   yang   bersifat   isolator menjadi logam setelah pelapisan. Pelapisan Au memodifikasi   fungsi   kerja   dari   BNNTs   dan sebagai akibatnya,  bidang  emisi rapat  arus  Au- BNNTs secara signifikan ditingkatkan. Hasil percobaan    menunjukkan   bahwa   seperti   Au- BNNT fitur menjanjikan  electron field emitter.
Bererapa cara dapat dilakukan untuk mengubah   nilai  celah  pita  BNNTs,  salah  satu cara   yaitu   dengan   enkapsulasi,    menyisipkan suatu  materi  ke  dalam  rongga  BNNTs. Enkapsulasi  dapat menggunakan logam atau senyawa   organik  (He  et  al.,  2008).  Penelitian yang  sama  juga pernah  dilakukan  oleh  Guo  et al., (2011) dan Li et al., (2009). Logam yang memiliki   potensi   bagus  sebagai  materi enkapsulasi yaitu logam yang memiliki konduktivitas  listrik yang tinggi yaitu logam Cu, suatu logam yang melimpahan di alam dan memiliki   konduktivitas    listrik   terbaik   kedua setelah  perak.  Selain logam  Cu,  logam  Fe juga dapat digunakan  mengingat logam ini juga memiliki  konduktivitas  listrik  yang  bagus. Metode  yang digunakan  yaitu Density Functional Theory (DFT) dengan  basis set Double Zeta Polarization (DZP).
Metode  Penelitian
Penelitian ini dilakukan di laboratorium kimia   komputasi   FMIPA   UNNES.  Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah komputer dengan spesifikasi sebagai berikut: Prosesor tipe Intel(R)Core(TM)2 Quad CPU Q8400  @2,66 GHz  dan  Random Acces Memory (RAM)  2 GB. Perangkat  lunak  yang digunakan dalam penelitian ini pemodelan struktur menggunakan Virtual Nano Lab, optimasi geometri  struktur  BNNTs  menggunakan Atomistix  Tool Kit (ATK) 2008.10, pengukuran nilai  celah  pita  menggunakan  Atomistix   Tool Kit  (ATK)  2008.10,  sistem  operasi  yang digunakan adalah Windows VistaTM Business. Bahan     yang  digunakan   dalam   penelitian   ini
adalah  Boron Nitride  Nanotubes  (4,4), logam  Fe dan logam Cu yang dibuat secara komputasi. Metode perhitungan menggunakan metode Density Functional Theory (DFT)  dengan  basis set Double Zeta Polarization (DZP).
Pembuatan pemodelan  molekul dengan membuka  program  Virtual Nano  Lab, plilih dan klik dua kali ‘nanotube grower’, pada  dialog ‘tube parameter’,  masukkan  nilai  n=4,  m=4  lalu  klik
‘show’. Drag ikon ‘drag­and­drop’ di pojok kanan bawah,   ke  menu   ‘bulk builder’.  Tandai   atom karbon  yang ingin diubah  menjadi  atom  Boron atau  Nitrogen.  Klik ‘repetition’, masukkan  angka
3  pada   dialog box  n(C)  =   3,  klik  OK.   Save
pemodelan  awal dengan nama BNNTs.vnl.
Opitmasi   geometri   BNNTs   dengan   cara drag  ikon  ‘drag­and­drop’  pada  model  BNNTs yang  telah  jadi  dalam  ‘Bulk Builder’  ke  menu
‘nanolanguage scripter’. Pada  dialog ‘configuration’ pada  box  ‘geometric optimation’ pilih  ‘steepest descent’.  Pada  dialog  ‘analysis’   save  data output dengan   nama   ‘BNNTs-Op.vnl’   dan  pada   box
‘available quantities’ pilih ‘total energy’. Drag ikon
‘drag­and­drop’   ke   menu   ‘job manager’,   maka pekerjaan akan running.
Optimasi  Geometri  BNNTs-Fe/Cu dengan membuka      model     molekul     BNNTs-Op.vnl setelah  optimasi   awal  ke  menu   ‘bulk builder’, pilih Insert atom, memasukkan atom Fe/Cu lengkap  dengan  posisi koordinatnya. Drag  ikon
‘drag­and­drop’  pada  model  BNNTs-Fe/Cu yang telah    jadi    dalam    ‘bulk   builder’    ke    menu
‘nanolanguage scripter’. Pada  dialog ‘configuration’ pada  box  ‘geometric optimation’ pilih  ‘steepest descent’. Pada  dialog  ‘analysis’  save data  dengan nama     ‘BNNTs-Fe/Cu.vnl’     dan     pada     box
‘available quantities’ pilih ‘total energy’. Drag ikon
‘drag­and­drop’  ke menu  ‘job manager’,  pekerjaan akan running.
Perhitungan  nilai  celah  pita  dengan membuka  data  BNNTs-Op.vnl pada  cara  kerja pertama. Drag ikon ‘drag­and­drop’ pada model BNNTs-Op yang telah teroptimasi dalam ‘Bulk Builder’ ke menu ‘nanolanguage scripter’. Pada dialog  ‘configuration’  pada  box  ‘geometric optimation’  pilih   ‘no  optimation’.  Pada   dialog
‘analysis’  save  data  dengan  nama  ‘bandgap.vnl’ dan  pada  box  ‘available quantities’  pilih  ‘energy bands’. Drag ikon ‘drag­and­drop’ ke menu ‘job manager’, maka pekerjaan akan running. Melakukan hal yang sama pada data BNNTs- Fe/Cu,  dengan  save  data  menggunakan  nama
‘bandgap-Fe/Cu.vnl’.

Hasil dan Pembahasan
Pemodelan  molekular   merupakan  suatu cara  untuk  menggambarkan atau  menampilkan perilaku molekul atau sistem molekul semirip dengan aslinya. Pemodelan molekular menggunakan metoda-metoda mekanika kuantum,  mekanika   molekular,   animasi, simulasi, analisis konformasi serta beberapa metode kimia komputasi  lain yang memprediksi perilaku molekul.

 
Gambar 2.   Proses pembuatan pemodelan molekul BNNTs
Pemodelan awal yang terbentuk bukan merupakan konformasi  yang paling stabil, maka diperlukan   optimasi   geometri   yang  bertujuan untuk   membentuk   pemodelan   yang kestabilannya mendekati senyawa asli. Selama proses optimasi, semua komponen yang memberikan   kontribusi   pada   energi  dihitung. Setiap perubahan geometri  akan  diikuti dengan perhitungan  energi.   Proses   ini   terus   diulang sampai   perubahan  dalam   energi   antara   satu iterasi dan  gerakan  selanjutnya  berada  dibawah harga standart parameter. Gambar  pemodelan struktur dari BNNTs serta BNNTs mengenkapsulasi Fe/Cu dapat dilihat pada Gambar  3.
 

Gambar 3.    Struktur   teroptimasi   untuk:   (a1) BNNTs  tampak  depan,  (a2)  tampak  samping, (b1) BNNTs  enkapsulasi  Fe tampak  depan,  (b2) tampak  samping,  (c1) BNNTs  enkapsulasi  Cu tampak depan, (c2) tampak samping
Gambar  3 terlihat bahwa pada atom logam yang dienkapsulasikan yaitu  logam  Fe ataupun logam Cu tetap berada di tengah rongga setelah optimasi,    sehingga    dapat    dikatakan    bahwa
senyawa  BNNTs  bisa menstabilkan  atom  logam agar  tetap berada di tengah. BNNTs akan stabil menahan keberadaan  logam  jika jari-jari logam yang disisipkan  sesuai dengan  besarnya  ukuran rongga BNNTs tersebut.
 
Tabel  1. Energi  total  senyawa  BNNTs  sebelum dan sesudah penambahan logam


Pada  hasil perhitungan optimasi  geometri, didapatkan data energi total yang disajikan pada Tabel 1. Pada tabel tersebut dapat dilihat bahwa energi   total   BNNTs   mengenkapsulasi   logam lebih  kecil  dibandingkan  dengan  BNNTs, dengan  adanya  enkapsulasi  logam  akan menambah ikatan sehingga membentuk konformasi   senyawa   yang   lebih  stabil. Sedangkan    untuk    enkapsulasi    logam, enkapsulasi  dengan  logam  Cu  memiliki  energi yang lebih rendah dibandingkan dengan enkapsulasi dengan logam Fe. Kestabilan dari sistem  BNNTs  mengenkapsulasi Fe/Cu berasal dari  adanya  interaksi  antara  atom  BN  dengan atom logam, dimana  terbentuknya  ikatan lemah antar   molekul   yang   disebut   ikatan   Van  Der Waals.  Gaya   Van  Der  Waals   merupakan  gaya antar molekul khas untuk molekul nonpolar. Disebabkan    karena    distribusi    muatan    yang sesaat  tidak  seragam  (dipol  sesaat)  yang disebabkan   fluktuasi  awan   elektron   di  sekitar inti. Dalam  kondisi yang sama, semakin banyak jumlah  elektron dalam  molekul semakin  mudah molekul  tersebut  akan  dipolarisasi  sebab elektron-elektronnya  akan   tersebar   luas.   Bila dua  awan  elektron  mendekati   satu  sama  lain, dipol akan terinduksi ketika awan elektron mempolarisasi   sedemikian   sehingga menstabilkan   yang  bermuatan  berlawanan. Seperti halnya  pada  penelitian  He et al., (2008) yang meneliti tentang prinsip awal BNNTs mengenkapsulasi molekul  organik,  menyatakan bahwa  adanya   interaksi  lemah  antara   BNNTs dan molekul yang dienkapsulasi.
Kestabilan    struktur   BNNTs   enkapsulasi Cu   juga   diperkuat   dengan   data   dari   proses optimasi geometri, yaitu dari ‘Geometry Optimization Step’.  Dimana   pada  BNNTs enkapsulasi Cu hanya membutuhkan 10 kali pengulangan  step  untuk  mendapatkan struktur stabil. Sedangkan  untuk  BNNTs  enkapsulasi  Fe memerlukan  step  yang  lebih  banyak  yaitu  24 kali   pengulangan.  Dalam    optimasi   goemetri dengan   adanya   logam   Cu   di  dalam   rongga BNNTs,  membuat  struktur  BNNTs  lebih stabil dengan     banyaknya     elektron     valensi    yang dimiliki logam Cu.
BNNTs  merupakan senyawa  mirip  CNT. Perbedaan  kedua senyawa ini terletak pada nilai celah  pita,  dimana  CNT  dapat  berupa  metalik atau  semikonduktor  sedangkan  BNNTs merupakan senyawa  semikonduktor mendekati isolator.   Maka   perlu  adanya   perubahan  nilai celah  pita  pada  BNNTs  supaya  senyawa  mirip CNT ini dapat diaplikasikan sebagai material semikonduktor.  Salah   satu   cara   untuk mengubah  nilai celah pita BNNTs  yaitu dengan enkapsulasi,   yaitu  menyisipkan   suatu  senyawa atau logam ke dalam rongga BNNTs.
 
Tabel  2. Nilai  celah  pita  BNNTs  murni  dan yang telah mengenkapsulasi

Hasil penelitian yang telah dilakukan, didapatkan nilai  celah  pita  murni  dari  BNNTs dan yang telah mengenkapsulasi logam dapat dilihat   pada   Tabel   2.   Nilai   celah   pita   dari BNNTs  murni  yaitu  4,31  eV, dimana  nilai  ini lebih kecil dibandingkan nilai dari percobaan laboratorium   karena    kecenderungan   metode DFT  yang  dapat  menurunkan nilai  celah  pita, dimana  hasil eksperimen menyatakan bahwa nilai celah pita dari BNNTs  murni  berkisar ~5,5  eV. Struktur    pita    BNNTs    yang    telah mengenkapsulasi dapat dianggap sebagai kombinasi  sederhana  dari  struktur  pita  BNNTs dan  atom  logam  didalamnya, karena  interaksi lemah di antara keduanya.
Gambar 3. Stuktur pita dari: (a) BNNTs murni, (b)   BNNTs    mengenkapsulasi   Cu,    dan    (c) BNNTs mengenkapsulasi Fe
 
Gambar  3 dapat  diketahui  bagaimana struktur  pita  dari  senyawa  BNNTs  murni ataupun  BNNTs  yang mengenkapsulasi Fe/Cu. Untuk  Gambar  3 (a), merupakan struktur  pita
dari  BNNTs  murni  dimana  pita valensi/Highest occupied molecular  orbital (HOMO)  berada  pada energi -1,36 eV dan pita konduksi/Lowest unoccupied molecular orbital (LUMO)  berada pada energi  2,95  eV.  BNNTs  yang  telah mengenkapsulasi  Fe/Cu memiliki  struktur  pita gabungan,    yaitu   naik   dan   turunnya    energi HOMO    dan   LUMO    struktur   pita   BNNTs. Logam  Fe  merupakan  atom  golongan  transisi yang  memiliki  bilangan  oksidasi  stabil +2  atau
+3, sehingga terdapat 3 buah energi orbital tambahan pada struktur pita gabungan pada Gambar  3 (c). Sedangkan  logam Cu merupakan atom golongan transisi yang memiliki bilangan oksidasi   stabil   +1   atau   +2,   sehingga   hanya terdapat  1 energi orbital tambahan pada struktur pita gabungan seperti pada Gambar  3 (b).
 

Gambar 4. Perhitungan nilai celah pita BNNTs murni
Logam  Fe, pita konduksi  (LUMO)  berasal dari pita energi dari logam Fe sendiri sedangkan pita  valesnsi  (HOMO)  berasal  pita  energi BNNTs.  Nilai celah pita baru yaitu sebesar 2,82 eV.  Sehingga  enkapsulasi  menggunakan logam Fe menjadikan BNNTs sebagai semikonduktor. Sedangkan  untuk logam Cu, pita valensi berasal dari  pita  energi  logam  Cu  dan  pita  konduksi berasal dari pita energi BNNTs.  Nilai celah pita dari  Cu  yang  dienkapsulasikan BNNTs  sebesar
2,16 eV. Enkapsulasi    logam Cu juga dapat menjadikan  BNNTs bersifat semikonduktor.
Gambar 5. Perhitungan nilai celah pita BNNTs enkapsulasi Fe
Hal ini menunjukkan perbedaan antara enkapsulasi   menggunakan  logam  Fe  atau  Cu, dari perpaduan struktur  energi pita hingga nilai celah pita, dimana kedua logam ini memiliki konduktivitas   listrik  yang  tinggi.  Tetapi  kedua logam dapat  mengubah  nilai celah pita BNNTs yang semula semikonduktor celah pita lebar (mendekati isolator) menjadi semikonduktor. Dengan   demikian   ada   harapan   untuk menjadikan BNNTs sebagai bahan yang dapat diaplikasikan sebagai material semikonduktor dimana  nilai  celah  pita  dapat  di  set bervariasi tergantung  logam yang dienkapsulaskan.

Gambar 6. Perhitungan nilai celah pita BNNTs enkapsulasi Fe
Simpulan
Boron nitride nanotubes  (BNNTs)  murni memiliki  nilai  celah  pita  lebar  yaitu  4,31  eV; nilai  ini  lebih  kecil dari  eksperimen  (~5,5  eV) karena   penggunaan  metode   DFT   yang cenderung  melemahkan nilai celah pita. Logam besi (Fe) yang dienkapsulasikan pada BNNTs dapat menurunkan nilai celah pita menjadi  2,82 eV. Logam Cu yang dienkapsulasikan pada BNNTs   dapat   menurunkan   nilai   celah   pita menjadi    2,16   eV.   Dengan    mengenkapsulasi logam Fe didapatkan penurunan energi LUMO pada   struktur   pita   BNNTs   dan   menurunkan celah pita sebesar 1,49 eV, sedangkan dengan mengenkapsulasi   logam   Cu   didapatkan kenaikan   energi   HOMO    pada   struktur   pita BNNTs dan menurunkan celah pita sebesar 2,15 eV,     maka logam yang cocok untuk dienkapsulasikan pada BNNTs yaitu logam Cu.

Powered by Blogger.

Copyright © / Live Stock

Template by : Urang-kurai / powered by :blogger