Carbon nano tube

APLIKASI CARBON NANOTUBE PADA MEMORY(CNT)

Nama : Peri Wahyudi

NPM : 140310070056

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PADJADAJRAN

2010

APLIKASI CARBON NANOTUBE PADA MEMORY

I. PENDAHULUAN

Teknologi nano membuka jalanbagi industry semikonduktor untuk dapat terus

mengikuti Hukum Moore. Teknologi ini dapat mewujudkan chip yang berukuran

lebih kecil dengan biaya produksi yang lebih rendah, namun memiliki kemampuan

yang lebih tinggi dibandingkan teknologi yang ada saat ini. Salah satu aplikasi

teknologi yang menarik adalah pada pembuatan memory.

Karakteristik memory yang diinginkan saat ini antara lain berukuran kecil,

kecepatan akses tinggi, dan kapasitas penyimpanan data yang besar. Sudah banyak

penelitian yang dilakukan terhadap beberapa material baru yang menarik. Salah satu

material baru yag cukup menjanjikan sebagai elemen perangkat memori adalah

carbon nanotube (CNT).

II. CCARBON NANOTUBE

Pada tahun 1985, Richard E Smalley, Robert F Curl, (Rice University,

Houston, Amerika Serikat) dan Sir Harold W Kroto (University of Sussex, Brighton,

Inggris) menemukan struktur karbon murni yang tersusun atas 60 atom carbon (C60).

Penemuan ini cukup menarik mengingat selama ini hanya ada dua bentuk unsure

carbon murni yang dikenal, yaitu grafit dan intan.

Struktur C60 tersebut diberi nama buckminsterfullerene atau disebut juga

bucky ball. Nama ini dipilih karena strukturnya menyerupai bangunan berkubah

seperti bola yang dirancang oleh seorang arsitek Amerika Serikat, Rbuckminster

Fuller untuk World Exhibition 1967 di montreal Kanada. Dalam perkembangan

berikutnya, molekul C60 ini lebih dikenal dengan nama fullerene dan digunakan pula

untuk CNT.

Struktur CNT mirip dengan fullerene. Bedanya atom-atom carbon pada

fullerene membentuk struktur seperti bola, sedangkan CNT berbentuk seperti tabung

yang tiap ujungnya ditutup oleh atom-atom carbon yang berbentuk setengah struktur

fullerene.

Struktur CNT pertama kali ditemukan oleh Sumio Ijima dari NEC

Laboratories di jepang. Berdasarkan jumlah cangkang yang dibentuknya, ada dua

golongan utama CNT, yaitu single waled carbon nanotube (SWCNT) yang hanya

membentuk satu cangkang dan multiwaled carbon nanotube (MWCNT) yang

berbentuk lebih dari satu cangkang atau berlapis.

Silinder CNT sering digambarkan sebagai lembaran-lembaran grapheme yang

digulung. Silinder yang dibentuk dikarakterisasi berdasarkan diameter dan sudut

kiralnya. Atau oleh nilai indeks (n,m). struktur CNT bernilai indeks (n,0) disebut

struktur zigzag. Jika nilai indeksnya (n,n) strukturnya disebut armchair. Struktur

lainnya adalah intermediate yaitu antara zigzag dan armchair.

Gambar 3 Lembaran graphene

Lembaran graphene digulung membentuk CNT (a). pada gambar 3b, a1 dan a2

menyatakan vector kisi, sedangkan Ch = na1 + ma2 adalah vector penggulung. Garis

putus-putus menandai susunan atom-atom carbon pada CNT yang mewakili indeks

(n,0) atau struktur zigzag, dan indeks (n,n) struktur armchair. T menyatakan vector

translasi. Bagian yang diberi warna menyatakan bagian yang akan digulung.

Molekul CNT sangat kuat, ulet, fleksibel, dan tidak mudah patah. Pada

tekanan tinggi, molekul-molekul CNT dapat bergabung membentuk struktur seperti

tali yang disebut nanorope. Ada dua macam nanorope, yang pertama terbentuk karena

adanya gaya Van Der Walls, kemudian yang terbentuk karena ikatan kovalen antar

molekul CNT.

Nilai indeks (n,m) SWCNT menentukan sifat listriknya. Struktur armchair

bersifat seperti logam, struktur zigzag dapat bersifat semilogam atau semikonduktor,

bergantung pada ukuran diameter spesifiknya, sedangkan struktur intermediate

bersifat semilogam dan semikonduktor. Pada MWCNT, meskipun terjadi interaksi

antar cangkang yang mempengaruhi sifat listriknya, iasanya pengaruhnya sangat kecil

dan suka diabaikan.

III. PEMBUATAN CARBON NANOTUBE

Beberapa metode dikembangkan untuk menghasilkan nanotube karbon

dengan kualitas yang unggul di antaranya electric arc discharge, laser ablation, dan

catalytic chemical vapour deposition (CCVD) [8]. Aplikasi CNT dalam Industri

memerlukan produksi CNT dalam skala besar sehingga sangat diharapkan CNT dapat

diproduksi dengan biaya murah. Pembuatan CNT dengan menggunakan metode arc

discharge dan laser ablation menghasilkan kualitas yang baik dan kemurnian yang

tinggi namun memerlukan biaya yang besar dalam proses produksinya sehingga tidak

efektif untuk diproduksi dalam jumlah besar dalam skala industri. Dari hasil beberapa

penelitian, dilaporkan bahwa pembuatan CNT dengan menggunakan metode CCVD

dapat menghasilkan nanotube karbon dengan kualitas yang baik dan biaya produksi

yang murah. Prinsip penumbuhan nanotube karbon dengan metode CCVD adalah

dekomposisi termal senyawa hidrokarbon dengan bantuan katalis partikel metal.

Spray pyrolysis merupakan salah satu tipe dalam metode CCVD dimana sumber

karbon dalam bentuk hidrokarbon cair berperan sebagai pelarut katalis yang

kemudian larutan tersebut diinjeksikan ke dalam tungku pemanas. Spray pyrolysis

merupakan metode yang sederhana dalam menghasilkan CNT dengan kualitas yang

baik, biaya produksi yang murah, dan dapat diproduksi dalam skala besar.

Penelitian dilakukan dengan menggunakan system reactor Spray Pirolisis

seperti pada gambar di bawah.

Gambar 4. Sistem reaktor spray pyrolysis yang digunakan dalam eksperimen.

Reaktor terdiri dari tungku pemanas dengan panjang 39 cm yang dilengkapi dengan

lapisan keramik dengan diameter 6,5 cm, pipa stainless steel dengan panjang 143 cm

dan lebar 2 cm. Alat suntik digunakan sebagai pembuat droplet dengan kapasitas 10

ml. Dalam penumbuhan serbuk nanotube karbon, benzene (C6H6, BR-0220 TEDIA)

digunakan sebagai sumber karbon dan ferrocene (Fe(C5H5)2) dengan kemurnian

98% Aldrich) sebagai katalis. Benzene dipilih sebagai sumber karbon karena

memiliki struktur hexagonal sehingga memungkinkan nanotube karbon mudah

terbentuk. Sedangkan ferrocene dipilih sebagai katalis karena bersifat mudah larut

dalam senyawa hidrokarbon. Eksperimen dilakukan dengan memvariasikan massa

ferrocene dalam 10 ml benzene pada temperatur 850 °C dimana nilai temperatur

tersebut sesuai dengan rentang temperatur yang memungkinkan nanotube karbon

dapat terbentuk dengan menggunakan metode CCVD yaitu pada temperatur 550 –

1200 °C.

Larutan benzene-ferrocene disemprotkan ke dalam pipa pemanas dengan

menggunakan alat suntik tanpa bantuan gas pembawa pada saat temperatur telah

mencapai 850 °C. Diharapkan larutan terperangkap di daerah panas. Oleh karena itu

posisi pipa diatur sedemikian rupa sehingga droplet jatuh di tempat yang diharapkan.

Lebar pipa yang hanya memiliki diameter 2 cm menyisakan celah yang cukup lebar

dari lapisan keramik pemanas. Untuk itu digunakan lapisan isolator yang bertujuan

untuk menahan panas agar tidak merambat ke sisi pipa di luar tungku pemanas

sehingga terjadi pemanasan optimal di dalam pipa. Setelah larutan disemprotkan

kemudian temperatur diturunkan hingga mencapai temperatur ruang. Proses

penumbuhan serbuk nanotube karbon diulang dengan cara yang sama untuk

mengetahui pengaruh waktu pemanasan pada temperature yang sama dan dengan

massa ferrocene 0,6 gram dalam 10 ml benzene.

Dalam metode spray pyrolysis, nanotube karbon terbentuk dengan adanya

proses dekomposisi senyawa hidrokarbon sebagai sumber karbon dengan bantuan

metal transisi sebagai katalis. Senyawa hidrokarbon merupakan senyawa yang paling

sering digunakan sebagai sumber karbon dalam pembuatan nanotube karbon dengan

menggunakan metode CCVD. Senyawa hidrokarbon pertama kali digunakan oleh

Endo dkk. dalam pembuatan nanotube karbon dengan metode CCVD dengan

menggunakan benzene sebagai sumber karbon. Benzene dengan struktur kimia

berbentuk heksagonal menjadikan senyawa ini menjadi senyawa yang sering

digunakan dalam membuat nanotube karbon dibandingkan dengan senyawa

hidrokarbon lainnya. Kumpulan heksagon-heksagon ini nantinya akan membentuk

lembaran grafit yang kemudian tergulung membentuk nanotube karbon.

Beberapa peneliti telah memodelkan mekanisme penumbuhan nanotube

karbon meskipun demikian mekanisme penumbuhan nanotube karbon masih belum

dapat dipahami secara mendalam meskipun sudah banyak kemajuan dalam penelitian

nanotube karbon.

Dalam spray pyrolysis, larutan benzene-ferrocene masuk ke dalam tungku pemanas

dalam fasa cair berupa droplet kemudian berubah menjadi fasa uap karena adanya

proses pemanasan di dalam tungku. Selama larutan benzene-ferrocene dipanaskan di

dalam tungku, molekul-molekul ferrocene dan benzene akan putus secara termal

kemudian akan terjadi beberapa reaksi diantaranya dehidrogenasi, kondensasi cincin

benzene dan cyclopentadiene, pembukaan cincin benzene dan cyclopentadiene,

agglomerasi atom Fe satu sama lain yang kemudian membentuk cluster yang

ukurannya dapat bertambah selama proses penumbuhan. Ion Fe+2 akan tereduksi

menjadi logam Fe dimana akan mengkatalisasi proses dehidrogenasi benzene.

Molekul-molekul benzene yang terdehidrogenasi tersebut akan berikatan dengan

molekul benzene terdehidrogenasi lainnya membentuk lapisan grafit di permukaan

cluster yang kemudian cluster akan bergerak membentuk formasi silinder dan

berakhir di ujung silinder sampai diameter silinder yang terbentuk sama dengan

dimeter cluster. Kondisi ini berlangsung pada fasa uap. Ketika temperatur diturunkan

terjadilah perubahan fasa menjadi padat dalam bentuk nanotube karbon. Mekanisme

penumbuhan nanotube karbon tersebut ditunjukkan pada Gbr. 6.

Gambar 6. Mekanisme pembentukan nanotube karbon.

Hasil serbuk yang didapat kemudian dikarakterisasi dengan menggunakan

SEM (Scanning electron Microscope) (JEOL JSM-6360 LA) dan EDX (Energy

Dispersive X-Ray) analysis.

Karakterisasi CNT Dengan SEM

Hasil SEM pada variasi massa ferrocene dalam 10 ml benzene ditampilkan

pada Gbr. 5 di bawah.

Gambar 5. Hasil karakterisasi SEM pada massa ferrocene: (a) 0,2 gram, (b) 0,4 gram,

(c) 0,6 gram, (d) 0,8 gram, dan (e) 1 gram.

Gambar 2a dan 2b menampilkan hasil SEM untuk massa ferrocene 0,2 gram

dan 0,4 gram dalam 10 ml benzene. Dari gambar terlihat bahwa serbuk yang

terbentuk didominasi oleh kumpulan granula. Hal ini menunjukkan bahwa

pemberian sedikit massa ferrocene menyebabkan tidak terbentuknya nanotube

karbon. Serbuk nanotube karbon dengan diameter 40-90 nm diperoleh dengan

penambahan ferrocene dengan massa 0,6 gram dalam 10 ml benzene seperti yang

ditunjukkan pada Gbr. 5c. Diketahui bahwa partikel katalis memiliki peranan penting

dalam penumbuhan nanotube karbon. Ukuran partikel katalis sangat berpengaruh

pada diameter nanotube karbon yang terbentuk dimana diameter nanotube karbon

yang terbentuk semakin membesar seiring dengan penambahan konsentrasi ferrocene.

Hal ini dapat dilihat pada Gbr. 5d dan 5e. Dari gambar terlihat bahwa semakin besar

massa ferrocene yang ditambahkan pada 10 ml benzene, semakin besar pula diameter

nanotube karbon yang terbentuk hingga mencapai di atas 100 nm. Hasil yang didapat

menegaskan bahwa atom Fe dalam ferrocene adalah kunci yang memegang peranan

penting dalam proses pembentukan nanotube karbon.

Dalam pembentukan nanotube karbon dengan metode CCVD, katalis

memiliki peranan penting di antaranya mengkatalisasi proses dehidrogenasi molekul

benzene sehingga menghasilkan ikatan heksagonal yang terdiri dari atom C.

Ferrocene dengan sifatnya sebagai katalis diketahui dapat menambah jumlah

nanotube karbon yang terbentuk. Selain itu ferrocene larut dalam senyawa non polar

sehingga menjadikan ferrocene sebagai kandidat utama katalis dalam pembentukan

nanotube karbon. Ferrocene akan terdekomposisi menjadi nanopartikel Fe dimana

akan berperan sebagai awal mula membentuk struktur tubular pada nanotube karbon.

Karakterisasi CNT Dengan EDX

Tabel 1. Hasil karakterisasi EDX pada variasi massa ferrocene

Keberadaan atom Fe dalam cluster pada pembentukkan nanotube karbon

tersebut didukung oleh hasil karakterisasi EDX seperti yang ditampilkan pada Tabel I

dimana semua serbuk yang diperoleh mengandung atom Fe. Hasil EDX untuk

pemberian massa ferrocene yang rendah (0,2 gram dan 0,4 gram) menunjukkan

bahwa semua serbuk mengandung atom C di bawah 90% sedangkan untuk serbuk

dengan massa ferrocene 0,6 gram, 0,8 gram, dan 1 gram, persentase atom karbon

mencapai di atas 90%. Hal ini menunjukkan bahwa penambahan massa ferrocene

berpengaruh pada kenaikan persentase atom C dan menunjukkan pula bahwa

ferrocene berpengaruh pada jumlah nanotube karbon yang terbentuk.

Untuk mengetahui pengaruh waktu pemanasan pada proses penumbuhan nanotube

karbon, eksperimen dilakukan dengan waktu pemanasan antara 0-150 menit dengan

menjaga parameter lain tetap bernilai konstan. Hasil SEM pada variasi waktu

pemanasan ditampilkan pada Gbr. 7.

Pada saat waktu pemanasan mencapai 30 menit (Gambar 7a) serbuk yang

terbentuk berupa kumpulan granula. Dari gambar terlihat bahwa penambahan waktu

pemanasan mempengaruhi perubahan morfologi serbuk yang terbentuk. Hal ini dapat

dilihat pada Gambar 7b-7e. Gejala penumbuhan nanotube karbon mulai terlihat walau

demikian diameter nanotube karbon yang diperoleh masih berkisar antara 80-140 nm

dengan struktur yang tidak homogen. Hasil ini masih kurang baik jika dibandingkan

dengan serbuk yang diperoleh pada waktu pemanasan selama 0 menit. Hal ini

menunjukkan bahwa dari hasil karakterisasi SEM, penambahan waktu pemanasan

tidak berpengaruh pada perbaikan struktur serbuk nanotube karbon yang terbentuk.

IV. Aplikasi Pada Memory

Perangkat Memory Bucky Shuttle

Perangkat memory Bucky Shuttle adalah perangkat memory berukuran nano

(nanomemory device, NMD) yang terdiri atas bucky ball yang dikurung dalam CNT

seperti contoh yang ditunjukan pada gambar 8. CNT yang ditunjukan pada gambar 8

tersebut adalah C240. Diameter bagian luar CNT tersebut kira-kira 1,4 nm dan

panjangnya 2,0 nm. Bucky ball yang digunakan berisi sebuah ion kalium (K+),

sehingga menjadikannya bermuatan.

Struktur yang dibentuk oleh ion K+ dalam C60 dalam C240 ini (secara singkat

dinyatakan sebagai K+@C60@C240) ini dianggap sebagai perangkat terkecil yang

dibuat. Disamping penggunaan struktur tersebut, ada beberapa alternative lain yang

juga dipertimbangkan, misalnya penggunaan CNT dengan ukuran yang lebih panjang,

atau penggunaan satu atau lebih CNT lain untuk menggantikan Bucky ball.

Status perangkat memory ditentukan oleh lokasi buckyball. Saat berada pada

satu sisi CNT, ia dianggap menyatakan bit 0, dan pada sisi lainnya menyatakan bit 1.

Stabilnya posisi buckyball pada kedua ujung CNT disebabkan oleh adanya gaya Van

Der Walls antara buckyball dengan bagian ujung CNT tersebut.

Gambar 8.

Status 0 dan 1 pada perangkat memory bucky shuttle

Gambar 9.

Potensial energy ion K@C60+ pada posisi yang berbeda dalam CNT. Garis

tegas menyatakan kondisi tanpa medan listrik. Garis putus-putus menyatakan

kondisi dibawah pengaruh medan listrik.

Gambar 10.

Skema high density memory board yang tersusun atas molekul-molekul CNT

dilihat dari atas (a) dan samping (b). saat tegangan listrik dialirkan antara

konduktor b dan C, informasi bit disimpan pada element memory bC (ditandai

warna abu-abu).

Untuk menyusun sel RAM yang besar, CNT dapat disusun membentuk

kumpulan yang rapat, dan ditempatkan diantara dua lapisan kawat penghantar seperti

yang ditunjukan pada gambar 11. Kawat pnghantar yang digunakan dapat berupa

logam, atau nanowire yang dibuat dari CNT. Jika kawat penghantar yang digunakan

juga dibuat dari CNT, hanya dibutuhkan satu CNT untuk ditempatkan diantara kawat-

kawat tersebut.

Gambar 11.

(a)NMD 4-bit. (b) 1 bit digambar secara rinci.

Perangkat Memory Berarsitektur Suspended Nanoube

CNT dapat digunakan sebagai kawat molekuler untuk menyusun nonvolatile

RAM. Sebagai elemen perangkat memory berarsitektur suspended nanotube, CNT

dipasang menggantung serta disusun saling bersilang dan bertumpuk di atas substrat.

Substrat yang digunakan terdiri atas lapisan penghantar (conducting layer), seperti

silicon dengan kadar ketidakmurnian yang tinggi yang diberi lapisan dielektrik tipis,

seperti silicon dioksida (SiO2) gambar 12. Posisi on dan off pada perangkat memory

ini ditunjukan pada gambar 14.

Gambar 12

Gambaran 3 dimensi suspended nanotube device arsitecture yang menunjukan

empat junction pada perangkat memory. Dua elemen pada keadaan on (saling

bersentuhan) dan dua elemen lagi pada keadaan off (terpisah).

Gambar 13

Gambaran perangkat memory suspended nanotube dipandang dari atas. CNT

digambarkan sebagai garis-garis hitam menyilang, dan blok pendukung CNT

digambarkan sebagai kotak-kotak kecil, sedangkan eektroda yang digunakan

digambarkan sebagai kotak-kotak berlabel 1,2,3,….m dan 1,2,3,….n.

Gambar 14

Gambaran struktur elemen perangkat memory suspended nanotube pada

keadaan off (atas) dan on (bawah).

Memory Nonvolatile Berbasis CNT dengan Lpisan Oksida-Nitrida

Oksida sebagai Charge Trap

CNT-field-effect transistor (CNTFET) dapat digunakan untuk membuat

memory nonvolatile dengan kerapatan sangat tinggi. CNT digunakan sebagai chanel

berukuran nano, sedangkan lapisan SiO2-Si3N4-SiO2 (ONO) digunakan sebagai node

penyimpan muatan. Struktur perangkat memory ini ditampilkan pada gambar 15.

Muatan disimpan pada lapisan ONO. Muatan yang disimpan akan

meningkatkan threshold voltage sebesar 60 mV (a quantized increment of 60 mV).

Hal ini menunjukan bahwa ONO memiliki trap dengan keadaan energy

terkuasikuantisasi. Keadaan ini berhubungan dengan medan listrik kuat terlokalisasi

pada CNT chanel.

Gambar 15

Memory nonvolatile berbasis CNT dengan ONO charge trap

Gambar 16

Medan listrik antara CNT dan gate

V. PERTANYAAN PERSENTASI

Fenfen :

Bagaimana mekanisme lebih lanjut karakterisasi EDX untuk sintesis CNT dengan

menggunakan teknik spraypirolisis?

Eko:

Bagaimana mekanisme berpindahnya kalium pada Buckyball pada aplikasi memory?

Mengapa harus memakai ferrocene?

Karena ferrocene larut dalam senyawa nonpolar, disini ferrocene bertindak sebagai

katalis dalam pembentukan CNT. Ferrocene ini akan terdekomposisi menjadi

nanopartikel Fe dimana akan berperan sebagai awal mula membentuk struktur tubular

pada nanotube karbon.

Tika:

Pengaruh temperature pada spray pirolisis?

Kenaikaan temperature berfungsi untuk pemutusan ikatan molekul ferrocene dan

benzene, sehingga semakin tinggi suhu maka pemutusan ikatan akan semakin cepat.

Mengapa pada proses pembuatan memory melibatkan bucky ball?

Friska:

Bagaimana proses pembuatan nanotube (fungsi cluster,benzene,dan bagaimana jenis

ikatannya)!

Dalam spray pyrolysis, larutan benzene-ferrocene masuk ke dalam tungku pemanas

dalam fasa cair berupa droplet kemudian berubah menjadi fasa uap karena adanya

proses pemanasan di dalam tungku. Selama larutan benzene-ferrocene dipanaskan di

dalam tungku, molekul-molekul ferrocene dan benzene akan putus secara termal

kemudian akan terjadi beberapa reaksi diantaranya dehidrogenasi, kondensasi cincin

benzene dan cyclopentadiene, pembukaan cincin benzene dan cyclopentadiene,

agglomerasi atom Fe satu sama lain yang kemudian membentuk cluster yang

ukurannya dapat bertambah selama proses penumbuhan. Ion Fe+2 akan tereduksi

menjadi logam Fe dimana akan mengkatalisasi proses dehidrogenasi benzene.

Molekul-molekul benzene yang terdehidrogenasi tersebut akan berikatan dengan

molekul benzene terdehidrogenasi lainnya membentuk lapisan grafit di permukaan

cluster yang kemudian cluster akan bergerak membentuk formasi silinder dan

berakhir di ujung silinder sampai diameter silinder yang terbentuk sama dengan

dimeter cluster. Kondisi ini berlangsung pada fasa uap. Ketika temperatur diturunkan

terjadilah perubahan fasa menjadi padat dalam bentuk nanotube karbon.

Anna:

Bagaimana proses pembuatan memorycard secara sistematik sebagai aplikasi dari

cnt?

Apa keunggulan memory cnt?

Monicc:

Bagaimana karakterisasi cnt, mengapa menggunakan EDX?

Jelaskan secara rinci tentag buckyball?