[modul 1 material karbon nanodots] siti nur annisa 10213028

MODUL 1

MATERIAL KARBON NANODOTS-SINTESIS DAN SIFAT

LUMINESENSI Siti Nur Annisa, Muhammad Zaki, Hasto Arief N, M. Fadhil Fauzan Uno, Reinaldo Giovanni

10213028, 10213015, 10213023, 10213092, 10213069

Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia

Email : sitinurannisa@rocketmail.com

Asisten: Riatmi/10212050

Tanggal Praktikum: 19 Februari 2016

Abstrak:

Pada praktikum ini, dilakukan percobaan mengenai material karbon nanodots. Tujuan dari praktikum ini yaitu

menentukan hasil sintesis harbon nanodots yang paling terang dengan menggunakan gelombang mikro dan

menentukan pengaruh variasi waktu penggunaan mcrowave dan konsentrasi asam sitrat terhadap ukuran

partikel nanodots. Percobaan kali ini menggunakan alat dan bahan berupa asam sitrat, urea, aquades, microwave, tabung ukur, crucible yang telah diberi label, spatula, timbangan, pengaduk magnetik dan cawan

petri yang telah diberi label. Percobaan yang dilakukan dengan cara melarutkan 5ml aquades dengan masing-

masing bahan hingga menjadi larutan lalu berikan label A1 hingga A4 dan juga B1 hingga B4 dengan takaran

konsentrasi yang telah ditentukan., setelah sampel menjadi larutan mengeringkan semua sampel dalam dryng

oven dengan suhu 100o C dan waktu kurang lebih 40 menit. Lalu memanaskan semua sampel dengan

menggunakan microwave sesuai dengan masing-masing waktu yang telah ditentukan. Setelah pemanasan selesai

dilakukan, memasukkan semua sampel kedalam plastik lalu disinari dengan sinar UV. Terakhir melihat sampel

mana yang paling terang. Dari praktikum yang telah dilakukan didapat hasil A2 dengan konsentrasi asam sitrat

0,035 gram yang paling terang pada saat disinari sinar UV, dan konsentrasi asam sitrat memberikan pengaruh

yang berbanding terbalik dengan ukuran partikel serta lamanya pemanasan menggunakan microwave

memberikan pengaruh yang berbanding lurus dengan ukuran partikel.

Kata kunci: Emisi, Konsentrasi, Lebar Pita, Microwave, Panjang gelombang.

I. Pendahuluan

Tujuan dari praktikum ini yaitu

menentukan hasil sintesis karbon nanodots

yang paling terang dengan menggunakan

gelombang mikro dan menentukan

pengaruh variasi waktu penggunaan

mcrowave dan konsentrasi asam sitrat

terhadap ukuran partikel nanodots.

Nanoteknologi merupakan teknologi

yang memanfaatkan ukuran partikel

sebesar nano dalam mempermudah

kerjaan manusia. Nanoteknologi memiliki

setidaknya dua keunggulan yaitu pertama

dengan ukuran yang sangat kecil (0,1 nm

100nm) material menjadi mudah bereaksi. Kedua, apabila ukurannya

kurang dari 100nm efek pengurungan

kuantum tidak dapat diabaikan. Efek

pengurungan kuantum yaitu efek dimana

elektron berada pada suatu kondisi dimana

elektron tidak dapat bergerak secara bebas

karena daerah disekitarnya memiliki

energi yang sangat besar sehingga

elektron tidak dapat berpindah ke daerah

tersebut. Karena adanya efek pengurungan

kuantum maka dikenal istilah quantum

dot, quantum well, dan quantum wire.

Quantum well adalah struktur dimana

elektronnya terkurung pada satu arah atau

pada satu dimensi sehingga elektronnya

hanya dapat bergerak pada dua dimensi

lainnya. Quantum wire adalah struktur

dimana elektronnya terkurung pada dua

arah atau pada dua dimensi sehingga

elektronnya hanya dapat bergerak pada

satu dimensi lainnya. Sedangkan quantum

dot struktur dimana tidak ada satu derajat

kebebasanpun tersisa. Elektron terkurung

ke segala arah, sehingga tidak dapat

bergerak ke arah manapun (Charles,

2003).

Karbon nanodots memiliki keunikan

sifat yaitu materialnya dapat

memendarkan (mengemisikan) cahaya

ketika disinari sinar UV, dengan panjang

gelombang emisi atau warna pendaran

cahaya akan bergantung pada lebar celah

pita karbon nanodots. Kejadian tersebut

dapat dijelaskan menggunakan konsep

semikonduktor yang memiliki sifat

eksitasi dan emisi. Pada proses eksitasi,

elektron akan berpindah dari pita valensi

menuju pita konduksi dengan menyerap

energi dari luar dan meninggalkan

pasangan elektron-hole. Sesaat setelah

sampai pada kulit terluar dikarenakan

keadaan elektron yang tidak stabil maka

elektron akan kembali menuju kulit pada

posisi awal dengan melepaskan atau

mengemisikan energi berupa cahaya atau

foton, kejadian kembalinya elektron ini

disebut sebagai deeksitasi.

Proses eksitasi tersebut sangat erat

hubungannya dengan ukuran partikel dari

nanodots. Ketika ukuran karbon mengecil

sampai ukuran karbon nanodots, lebar

celah pita (band gap) yang dimiliki

menjadi lebih besar dibanding saat

bulknya. Hal ini mengakibatkan adanya

pergeseran warna biru pada spektrum

cahaya eksitasi dan emisi. Selain itu, pita

energi tersebut akan menjadi diskrit. Lebar

celah pita energi untuk karbon nanodots

dapat dihitung menggunakan aproksimasi

berikut :

G(CNDs) Eg (bulk) + 22

22 ..(1)

Keterangan:

R : jari-jari partikel

: massa efektif elektron

massa efektif elektron didefinisikan

sebagai berikut :

1

=

1

+

1

(2)

II. Metode Percobaan

Pada praktikum kali ini bertujuan untuk

menentukan hasil sintesis karbon nanodots

yang paling terang dengan menggunakan

gelombang mikro. Sebelum memulai

praktikum kita harus memahami terlebih

dahulu prosedur keamanan yaitu untuk

bagian kelistrikan pastikan ketika

menggunakan peralatan listrik harus

menggunakan sambungan listrik (voltase,

arus, daya dan frekuens) sesuai dengan

spesifikasi alat listrik tersebut. Lalu untuk

bahan kimia usahakan sesuai dengan

ketentuan, kelaziman dan takarannya.

Terakhir yaitu untuk alat eksperimen dan

alat karakterisasi mengikuti panduan atau

bimbingan dari koordinator atau laboran.

Setelah semua prosedur keamanan

dpahami maka percobaan dapat mulai

dilakukan.

Pertama-tama menyiapkan alat dan

bahan yang telah ditentukan seperti asam

sitrat, urea, aquades, microwave, tabung

ukur, crucible yang telah diberi label,

spatula, timbangan, pengaduk magnetik

dan cawan petri yang telah diberi label.

Setelah itu menimbang bahan-bahan

dengan takaran sesuai dengan yang tertera

pada tabel 1, bersamaan dengan itu

menyiapkan 5ml aquades yang diukur

menggunakan tabung ukur lalu

memasukkan kedalam gelas ukur. Bahan

yang telah ditimbang sebelumnya

kemudian dimasukkan kedalam gelas ukur

yang berisi aquades kemudian dilarutkan

dengan menggunakan pemutar magnetik

hingga larut. Lalu keringkan sampel

larutan bening pada dryng oven pada suhu

100o C selama kurang lebih 40 menit.

Jajarkan semua bahan sesuai dengan

labelnya. Lalu memoto bahan yang telah

dimasukkan kedalam oven. Setelah 40

menit, mengangkat semua sample dan

menyimpan secara berurutan, keruk

sample menggunakan sendok pengeruk

dan memasukkan sample kedalam cawan

petri sesuai dengan label yang telah

ditentukan. Lalu memanaskan sample

menggunakan microwave rumah dengan

daya dan waktu sesuai dengan tabel 1

yang telah ditentukan, pada sample A

digunakan variasi konsentrasi lalu untuk

sample B digunakan variasi waktu.

Seharusnya variasi B dipanaskan setelah

sample A selesai diberikan sinar UV dan

dicari yang paling terang pancarannya,

tetapi untuk mempersingkat waktu maka

pada saat bersamaan memanaskan sample

B dengan menggunakan konsentrasi yang

sama dengan sample A2 yaitu 0,035 gram

asam sitrat. Setelah semua sample selesai

dipanaskan maka hal yang dilakukan yaitu

mengeruk kembali semua sample

menggunakan sendok pengeruk dan

memasukkan sample tersebut kedalam

plastik yang telah diberi label sesuai

samplenya. Langkah terakhir yaitu dengan

cara memberikan penyinaran dengan sinar

UV kepada semua sample dan mengamati

pendaran yang dihasilkan secara kualitatif.

Setelah percobaan selesai dilakukan tidak

lupa untuk membersihkan semua alat-alat

yang telah digunakan hingga bersih dan

kemudian mengeringkannya.

Hipotesis dari percobaan kali ini yaitu

perbedaan konsentrasi asam sitrat akan

menghasilkan pendaran cahaya yang

berbeda begitupun perbedaan lamanya

menggunakan microwave serta adanya

satu konsentrasi yang memberikan

pendaran paling terang.

III. Data dan Pengolahan Data

Pada percobaan yang telah dilakukan

sesuai dengan tabel parameter sintesis

karbon nanodots sebagai berikut:

Tabel 1. Parameter sintesis karbon nanodots

Dari tabel diatas dapat dilakukan

percobaan dengan hasil sebagai berikut :

Gambar 1. Proses pengeringan menggunakan

dryng oven dengan suhu 100o selama 40 menit

Gambar 2. Proses pada saat sebelum dilakukan

pemanasan, sample disimpan secara berurutan

dari A1 hingga A4 (tampak depan)

Gambar 3. Proses pada saat sebelum dilakukan

pemanasan, sample disimpan secara berurutan

dari A1 hingga A4 (tampak atas)

Gambar 4. Proses pada saat sample A1sampai

A4 telah dipanaskan dengan microwave

Gambar 5. Proses pada saat sample B1sampai

B4 telah dipanaskan dengan microwave

Gambar 6. Keadaan sample A1 hingga A4

pada saat sebelum dilakukan penyinaran

Gambar 7. Keadaan sample A1 hingga A4

pada saat setelah dilakukan penyinaran

menggunakan sinar UV

Gambar 8. Keadaan sample B1 hingga B4

pada saat sebelum dilakukan penyinaran

Gambar 9. Keadaan sample B1 hingga B4

pada saat setelah dilakukan penyinaran

menggunakan sinar UV

Dari data yang berupa hasil foto diatas

terlihat bahwa sampel yang paling

memancarkan sinar paling terang yaitu

sampel A2 dengan konsentrasi asam sitrat

0,035 gram, sehingga pada tebakan awal

dengan sampel B memakai konsentrasi

0,035 gram sudah tepat. Selain itu untuk

mengetahui panjang gelombang yang

dipancarkan oleh sampel A1 sampai A4

dengan menggunakan tabel referensi

dibawah:

Gambar 10. Referensi warna yang dihasilkan

menurut panjang gelombang[1]

Menurut gambar diatas maka panjang

gelombang untuk masing-masing sampel

yaitu :

Tabel 2. Panjang gelombang sampel

Sampel Warna Panjang gelombang

(10-7

m)

A1 Kuning 5,850-5,750

A2 Hijau 5,750-4,950

A3 Biru 4,950-4,450

A4 Infra-red 7,400

Selain itu untuk sampel B1 hingga B4

setelah diberikan sinar UV maka yang

paling terang adalah sampel B3 dengan

waktu pemanasan 120 detik.

IV. Pembahasan Karbon nanodots mampu mengemisikan

cahaya karena adanya proses pengurungan

kuantum, efek pengurungan kuantum ini

membuat adanya pelebaran pita sehingga

dikarenakan bandgapnya lebih lebih dan

besar maka energi eksitasinya lebih akan

lebih besar, energi eksitasi membesar

maka energi deeksitasinyapun akan besar

sehingga emisinya akan besar juga.

Dilihat dari hasil pengamatan dan

membandingkan dengan tabel referensi

warna sesuai panjang gelombang, maka

untuk konsentrasi asam sitrat yang lebih

banyak maka akan menghasilkan cahaya

dengan panjang gelombang yang lebih

besar dalam arti lain menghasilkan cahaya

dengan energi yang lebih kecil. Sesuai

dengan persamaan 1, untuk band gap

karbon nanodots (sebanding dengan energi

emisi cahaya) yang lebih kecil dibutuhkan

jari-jari partikel lebih besar. Oleh karena

itu konsentrasi asam sitrat yang lebih

banyak menghasilkan jari-jari partikel

yang lebih besar atau konsentrasi asam

sitrat sebanding dengan jari-jari partikel.

Hubungan antara nanopartikel terhadap

warna pendaran yaitu semakin kecil

ukuran partikel maka warnanya akan

semakin bergeser ke warna yang memiliki

panjang gelombang yang lebih besar.

Adapun hubungan antara ukuran partikel

yang kecil (nano partikel) dengan efek

pengurungan kuantum. Efek pengurungan

kuantum merupakan efek yang dapat

membatasi arah gerak partikel, contoh dari

pengurungan kuantum ini yaitu quantum

dot, quantum wire dan quantum well yang

sangat erat hubungannya dengan dimensi

dari arah geraknya. Semakin terbatas

dimensinya maka ukuran partikelnya akan

semakin kecil.

Model fisis yang identik dengan karbon

nanodots yaitu model semikonduktor yang

memiliki konsep tentang eksitasi elektron

dan emisi cahaya. Pada konsep ini,

elektron tereksitasi dari pita valensi ke pita

konduksi oleh energi dari luar dalam

percobaan ini adalah energi dari sinar UV.

Elektron yang tereksitasi tidak stabil

sehingga akan kembali ke pita valensi

(keadaan semula) dan berekombinasi

dengan hole. Pada saat proses kembali ke

pita valensi, proses tersebut disebut

deeksitasi yang memiliki konsekuensi

diemisikannya energi dalam bentuk

cahaya atau foton.

Pada percobaan ini urea merupakan

bahan utama karbon nanodots yang terdiri

dari rantai karbon dan asam sitrat

merupakan bahan pendukung yang

berfungsi sebagai cross linker namun

untuk menjadi nanodots, rantai karbon

harus disusun ulang biasanya dengan cara

pemanasan. Pada percobaan ini

penyusunan ulang dilakukan oleh

microwave dengan cara menggetarkan

partikel-partikel. Kelebihan dari metode

menggunakan microwave ini yaitu sampel

tidak mengalami degradasi gugus

hidroksil sehingga tidak mengurangi kadar

air dalam larutan dan tidak akan

dihasilkan C-dots berupa gel.

Dibandingkan dengan metode pemanasan

yang lain, metode microwave

menyediakan energi yang intensif,

homogen dan efisien, serta mencapai suhu

tinggi dan memulai reaksi dalam waktu

yang sangat singkat. Sedangkan

kekurangan dari metode ini yaitu ukuran

partikel nanodots yang dihasilkan tidak

terlalu kecil dan kemurniannya tidak

100% karena tidak seluruhnya berisi

karbon.

Pada awalnya karbon nanodots hanya

dapat mengemisikan cahaya dengan energi

yang lebih rendah dari pada energi yang

diserap (down-conversion). Namun,

penelitian sekarang menunjukkan adanya

potensi nanodots untuk melakukan up-

conversion dengan doping nitrogen.

Doping nitrogen memberikan multi-proton

cross section sehingga c-dots memiliki

kemampuan menghimpun cahaya

sehingga saat diemisikan, energinya lebih

besar dari yang diserap pada suatu waktu

karena merupakan akumulasi.

Proses rekayasa pita energi

memengaruhi besarnya celah pita energi

(bandgap). Celah pita energi ini sama

besarnya dengan energi yang diserap

(energi absorbsi) oleh elektron saat

eksitasi ke pita konduksi. Energi ini, akan

dilepas kembali saat de-eksitasi yang

sebagian besar diemisikan dalam bentuk

cahaya. Energi cahaya ini yang

memengaruhi panjang gelombang atau

frekuensi dari cahaya yang diemisikan dan

menentukan warna cahaya tersebut. Oleh

karena itu, proses rekayasa pita energi

akan berpengaruh terhadap cahaya yang

diemisikan oleh karbon nanodots.

Karakterisasi yang digunakan untuk

memberikan gambaran kuantitatif yaitu

spektrum absorbansi menggunakan

spektrometer UV-VIS untuk kemudian

didapatkan nilai lebar celah pitanya

(energi gap) serta struktur unitnya

menggunakan Fourier Transform Infra

Red (FTIR). Prinsip kerja spertrofotometer

UV-Vis adalah interaksi yang terjadi

antara energi yang berupa sinar

monokromatis dari sumber sinar dengan

materi yang berupa molekul. Besar energi

yang diserap tertentu dan menyebabkan

elektron tereksitasi dari keadaan dasar ke

keadaan tereksitasi yang lebih tinggi.

Serapan tidak terjadi seketika pada daerah

ultraviolet-visible untuk semua struktur

elektronik, tetapi hanya pada sistem-

sistem terkonjugasi, struktur elektronik

dengan adanya ikatan dan non bonding elektron. Prinsip kerja spektrofotometer

berdasarkan hukum Lambert Beer, yaitu

bila cahaya monokromatik (Io) melalui

suatu media (larutan), maka sebagian

cahaya tersebut diserap (Ia), sebagian

dipantulkan (Ir), dan sebagian lagi

dipancarkan (It).

Parameter variasi yang dapat

ditambahkan untuk mengoptimalkan

pendaran karbon nanodots yaitu variasi

bahan dan suhu. Dengan ditambahkannya

parameter variasi tersebut maka akan

ditemukan lagi hubungan antara bahan

dan suhu dengan ukuran partikel dari

karbon nanodots.

Aplikasi lainnya yaitu pada bidang

elektronika tujuannya untuk meningkatkan

tenaga, kapasitas dan kecepatan beberapa

kali lipat dari yang sekarang ini, karbon

nanodots digunakan sebagai memori

penyimpanan data yang diharapkan dapat

menyimpan data mencapai orde terabyte.

Karbon nanodots juga dapat digunakan

sebagai pendeteksi adanya kandungan ion

logam. Jika karbon nanodots bercampur

dengan ion logam akan menghasilkan

pendaran cahaya dengan panjang

gelombang sekitar 366 nanometer saat

disinari sinar UV.

V. Kesimpulan

Sampel yang dapat menghasilkan

pendaran paling terang yaitu sampel A2

dengan konsenstrasi asam sitrat 0,035

gram.

Konsentrasi asam sitrat memberikan

pengaruh yang berbanding terbalik dengan

ukuran partikel serta lamanya pemanasan

menggunakan microwave memberikan

pengaruh yang berbanding lurus dengan

ukuran partikel.

VI. Pustaka [1] annucigema.blogspot.com diunduh

tanggal 21 Februari 2016 pukul 19.27

WIB

[2] http://pdm-mipa.ugm.ac.id diunduh tanggal 22 Februari 2016 pukul 21.05

WIB

[3] http://www.ncbi.nlm.nih.gov diunduh tanggal 22 Februari 2016 pukul 21.05

WIB

[4] Sintesis Carbon Nanodots Sulfur (C-Dots Sulfur) Dengan Metode

Microwave. Tersedia

http://journal.unnes.ac.id [22 Februari 2016]

.