APLIKASI CARBON NANOTUBE PADA MEMORY (CNT)
Nama
: Peri Wahyudi
NPM
: 140310070056
JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS PADJADAJRAN 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 yang lebih lebih tinggi tinggi dibandi dibandingk ngkan an teknol teknologi ogi yang yang ada saat saat ini. ini. Salah Salah satu satu aplika aplikasi si 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 materi material al baru baru yag cukup cukup menjan menjanji jikan kan sebagai sebagai elemen elemen perangk perangkat at memori memori adalah adalah carbon nanotube (CNT).
II.
CCARBON NA NANOTUBE
Pada tahun 1985, 1985, Richar Richard d E Smalle Smalley, y, Robert Robert F Curl, Curl, (Rice (Rice Univer Universit sity, y, Houston, Amerika Serikat) dan Sir Harold W Kroto (University of Sussex, Brighton, Inggris) menemukan struktur karbon murni yang tersusun atas 60 atom carbon (C 60). 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 pan jang, 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 teganga n 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 kawatkawat 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 (SiO 2) 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-Si3 N4-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?
