rekayasa bahan partikel nano karbon untuk aplikasi piranti energi

Rekayasa bahan partikel nanD karbonuntuk aplikasi piranti energi dan sensor (Dr. Salim Mustofa)

REKAYASA BAHAN PARTIKEL NANO KARBONUNTUK APLIKASI PIRANTI ENERGI DAN SENSOR

Salim Mustafa

Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir, BATAN, Serponge-mail: [email protected]

ABSTRAK

REKAYASA BAHAN PARTIKEL NANO KARBON UNTUK APLIKASI PIRANTI ENERGI

DAN SENSOR. Rekayasa Bahan Partikel Nano Karbon untuk Aplikasi Piranti Energi dan Sensor telahdilakukan di PTBIN - BATAN. Bahan karbon adalah bahan yang sangat cocok dan unggul dipakaisebagai elektrode pada sebuah piranti elektonik untuk aplikasi piranti penyimpan energi atau sensor,karena bahan ini relatif tidak terlalu mahal dan bahan karbon memiliki luas permukaan yang sangatbesar, yaitu kurang lebih 1000 m2/g. Sebagai persiapan awal, telah dilakukan upaya pembuatan bahankarbon berstruktur nano menggunakan teknik High Energy Milling (HEM) dengan parameter waktumilling. Hasil XRD menunjukkan bahwa karbon hasil milling masih didominasi oleh fase heksagonal,yaitu puncak karbon C (002) dan C (004). Dari observasi SEM diketahui bahwa ukuran serbuk hasilmilling adalah 670-70 nm (ukuran mengecil seiring bertambahnya waktu milling), dengan demikianterbukti bahwa proses milling mampu menghasilkan serbuk grafit berukuran nano. Pengukuranporositas menunjukkan surface area dari serbuk mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan waktumilling dan mengalami puncaknya disaat milling 18 jam. Nilai kapasitan sampai dengan waktu milling 18jam mengalami peningkatan, namun setelah itu turun drastis seiring bertambahnya waktu milling,selaras dengan kecenderungan nilai porositas. Setelah itu, serbuk karbon berukuran nano dijadikantarget untuk pembuatan lapisan tipis bahan karbon. Di tempat yang terpisah, telah dilakukan pulapenelitian uji coba pembuatan dielektrik memakai lapisan tipis BSTO dengan metode PLD, yanghasilnya adalah mampu didapatkannya lapisan dielektrik yang cukup tipis yaitu sekitar 400 nm, sertamorfologinya halus merata, memiliki nilai dielektrik 10 kali lipat lebih besar. Artinya penerapan lapisantipis ke dalam piranti elektrik memberikan harapan besar untuk dapat meningkatkan properti elektriknya.Sebagai ganti dari PLD, pad a penelitian ini untuk pembuatan lapisan tipis digunakan teknik sputteringyang masih satu jenis dengan PLD yaitu metode PVD. Substrat yang dipakai adalah Substrat Si (100),temperatur substrat 100°C - 300°C, target yang dipakai adalah pelet karbon hasil milling dengan HEMselama 25 jam dan lama proses sputtering 30 menit. Hasil SEM memperlihatkan lapisan tipis memilikimorfologi homogen, dengan tingkat kepadatan yang cukup tinggi, serta tidak banyak ditemukan dropletpartikel yang merupqkan salah satu permasalahan dari metode sputtering ataupun metode PVD lainnya.Selain itu pemanasa'n pada temperatur 300°C memberikan hasil morfologi yang sangat merata danhomogen dibandingkan temperatur lainnya. Namun lama proses sputtering 30 menit belum mencukupiketebalannya dan struktumya juga masih sedikit rapuh, sehingga perlu penelitian lebih lanjut. Di bagianakhir, telah dilakukan juga penyelidikan efek penambahan rasio CNT terhadap sifat elektrik bahan grafitkarbon yang didoping CNT. Rasio dopingnya adalah 0-0,20 %berat. Hasilnya menunjukkan nilaidielektrik campuran FeC-CNT mencapai maksimal pad a rasio %berat CNT 0,05, setelah itu nilainyacenderung turun, seiring dengan peningkatan penambahan ras~o %berat CNT.

Kata kunci: Karbon, HEM, PLD, PVD, sputtering, porositas, nilai kapasitan, CNT

ABSTRACT

RESEARCH OF CARBON NANO PARTICLE FOR THE APPLICATION OF ENERGY AND

SENSOR DEVICE. Research of Carbon Nano Particle for the Application of Energy and Sensor Devicewas done in PTBIN - BATAN. The carbon material was very appropriate and superior material forelectrode at a device electronic for the application of energy and sensor devices; because this materialis relative not too expensive and the carbon material has a very big surface area, which is approximately1000 m2/g. As early preparations, the production of nano structured carbon material used the HighEnergy Milling (HEM) technique with milling as a parameter was carried out. Result of XRD showed thatmilled carbon was still dominated by the phase of hexagonal, which is the peak of C carbon (002) and C(004). From SEM observation, it was known that the measurement of milled was 670-70 nm (themeasurement became smaller as the increasing of milling time), therefore was proven that the processmilling could produce graphite with nano size. The measurement of porosity showed the surface area ofmilled powder raised with the increasing of milling time, and maximum at the milling time of 18 hours.The capacitance increased until the milling time of 18 hours, but after that descended drastic with the

425

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN 2087-8079

increasing of milling increase. This is matching with the trend of porosity changes. In the other hand, theresearch on the production of dielectric used BSTO thin film by PLD method was also carried out. Aquite thin of dielectric was obtained; approximately 400 nm, as well as good morphology and flat. Thethin film had the dielectric value of 10 times than commercially capacitor. It means that the application ofthin film to the electric device gives big hope to be able to increase the electric property. As thesubstitute from PLD, in this research for the production of the thin film, the technique sputtering wasused. This technique is PVD method, same kind with PLD. The Si substrate (100) was used assubstrate, the temperature of substrate was 100°C - 300°C, carbon compaction was used as target ofsputtering, and the time of sputtering was 30 minutes. SEM results showed that the thin film hadhomogeneous morphology, with the level of quite high density, as well as was not often found dropletthat was one of the problems of sputtering or other PVD method. Moreover, at the temperature of 300°Cgave a result of very equitable and homogeneous morphology compared with other temperature.However 30 minutes of sputtering 30 minutes did not yet give enough thickness and the structure wasalso still somewhat fragile, and need further research. In the end part, the effect of increasing in the CNTratio towards the electric characteristics was also carried out. The ratio doping of CNT was 0-0.20weight%. The results showed that the dielectric value of FeC-CNT reached maximal in weight ratio of0.05%, after that the value tended to descend, with the increasing of weight ratio of % CNT.

Key words: Carbon, HEM, PLD, PVD, sputtering, porosity, capacitance value, CNT

BABI PENDAHULUAN

Beberapa tahun belakangan ini kapasitor super telah menarik perhatian duniasebagai sumber penyimpan energi berkapasitas tinggi di dalam aplikasi-aplikasi piranti yangmembutuhkan energi kapasitas tinggi dan atau membutuhkan peri ode siklus life time yangcukup panjang, contohnya dalam order 100.000 siklus (cycles). Kapasitor super, yang jugadikenal dengan sebutan Ultra kapasitor atau elektrokimia kapasitor berlapis dua(Electrochemical Double-Layer Capacitors, selanjutnya disingkat dengan EDLC), merupakansuatu piranti yang akan menyimpan energi melalui pembentukan elektrolit berlapis dua(electrolytic double layer) di antar muka (interface) permukaan area elektrode yangmengandung karbon tinggi secara spesifik. Kapasitor super merupakan kapasitor tipe baruberkapasitan tinggi, dimana piranti ini memiliki nilai kapasitas menyimpan energi secaraelektrik yang tinggi bila dibandingkan dengan kapasitor-kapasitor konvensional yang lainnya.Berbeda dengan kapasitor konvensional yang pada sebagian besar memiliki nilai kapasitandalam order satuan mikro farad, piranti kapasitor super memiliki nilai kapasitan dalam order

satuan Farad ~artinya memiliki kapasitas 1000 kali lebih besar dibanding kapasitorkonvensional) 1-). Nilai kapasitan dari sebuah kapasitor pad a prinsipnya dapat dihitungdengan menggunakan persamaan berikut ini :

C = Ae/d

A = luas plate = permitivitas udara/mediao = jarak antar plat

(1.1 )

Hal ini menunjukkan bahwa nilai kapasitan dari sebuah piranti penyimpan energidapat ditingkatkan, baik melalui peningkatan luas plat atau bisa juga dengan melaluipendekatan jarak antar plat. Perluasan plat dan pendekatan jarak antar plat memang secarateori dapat dilakukan, namun ada keterbatasannya dimana pada akhirnya akan membuat nilaikapasitan menjadi 0, artinya malah akan menimbulkan hubungan singkat dan membuat tidakada energi yang akan tersimpan. Dengan adanya keterbatasan ini, lahirlah suatu pemikirantentang penerapan kapasitor super berlapis dua. Kapasitor super, seperti diilustrasikan padaGambar 1, tersusun atas 2 (dua) buah elektrode, sebuah separator dan sebuah elektrolit.Elektrode itu sendiri tersusun lagi atas 2 (dua) bagian, yaitu bagian pertama terbuat daribahan logam (bagian yang memiliki sifat penghantar tinggi), dan bagian yang kedua terbuatdari bahan aktif (bagian dengan luas permukaan besar). Kedua elektrode ini dipisahkan olehsebuah lapisan membran yang disebut dengan separator. Fungsi dari separator ini adalahuntuk memberi keleluasaan bergerak kepada ion pengisi, dan saat yang bersamaan jugamencegah terjadinya penghataran secara elektrik. Keseluruhan komponen ini ditata ke dalamsatu bentuk tabung atau rektangular, dan disimpan dalam sebuah kemasan. Bagian elektrolit

426


dapat terbuat dari bahan padat, organik atau cairan. Metode kerja sistem tegangan darisebuah kapasitor super ditentukan melalui penguraian tegangan dari elektrolit danbergantung kepada suhu lingkungan, densitas arus dan life time yang dibutuhkan.

Elektrode

+

Elektrolit Pemisah

Gambar 1. Skematik ilustrasi sebuah kapasitor super 4)

Untuk persiapan elektrode tipe ini, bahan karbon merupakan bahan yang sangat pasdan tepat dikarenakan bahan ini relatif tidak terlalu mahal dan bahan karbon memiliki luaspermukaan yang sangat besar, yaitu kurang lebih 1000 m2jg. Apabila kita menggunakankapasitor super kira-kira seukuran kotak, diperkirakan kita akan bisa mendapatkan nilaikapasitan sebesar 100 F atau bahkan lebih. Sewaktu dilakukan proses pengisian (charging),ion positif (kation) akan terakumulasi di elektrode negative and ion negative (anion) akanterakumulasi di elektrode positif, dan seterusnya proses ini akan berjalan secara berurutan.Proses pemisahan ion di saat proses pengisian (charging) dan pengosongan (discharging)berlangsung sangat cepat, dan hal inilah yang secara prinsip menjadi alasan dari potensisuatu kapasitor super dapat memiliki densitas kapasiti tinggi.

Potensi pemanfaatan karbon itu sendiri di sektor elektronik telah dikaji dan ditelitiselama lebih dari 50 tahun ini, namun selama satu dekade belakangan ini, dan khususnyaselama 5 tahun belakangan ini, pertumbuhan dari karbon telah berkembang begitu pesat,sehingga menjadikan bahan karbon sebagai salah satu unsur bahan dimana penerapannyasangat ditunggu-tunggu oleh para kalangan dunia perindustrian. Yang melatarbelakangi halini adalah dengan meningkatnya permintaan terhadap piranti penyimpan energi berkapasitastinggi, sehingga membuat para peneliti dan pengembang serta dunia industri berusaha untukmelakukan terhadap bahan karbon seperti contohnya tabung nanD karbon (Carbon NanoTubes, selanjutnya disingkat dengan CNT) sebagai bahan yang sangat berpotensi untukmengisi momentum tersebut 1-3).

Seperti yang telah dijelaskan pada persamaan (1.1), nilai kapasitan penyimpananenergi berbanding lurus dengan luas permukaan elektrode yang dipakai, dimana pad aumumnya dipakai bahan inert elektro kimia yang memiliki luas permukaan yang besar.Sedangkan sebagai bahan elektrode biasa digunakan oksida logam, karbon nanoporous(carbon nanoporous) dan bahan grafit (graphite). Elektrode berbasis karbon dapat dibuat dariaktivasi karbon, serat karbon, karbon hitam (carbon black), karbon gel atau meso karbon.Elektrode dari bahan karbon memiliki luas permukaan yang sangat besar (kurang lebih setara3000 m2jg). Pada penelitian ini, penulis mencoba untuk mencari terobosan menyiapkanelektrode dari bahan grafit komersial, dan dari bahan CNT yang dipersiapkan memakaiteknologi baru High Energy Milling (selanjutnya disingkat dengan HEM), serta mencoba pulamemanfaatkan bahan karbon alam yang berkarakteristik karbon nanoporous sehingga padaakhirnya akan dapat diperoleh suatu teknik pembuatan bahan karbon untuk aplikasipembuatan elektrode secara efisien dan ekonomis. Karbon nanoporous merupakan bahankarbon yang secara luas dipakai di berbagai aplikasi mulai dari sebagai bahan penyerap dan

427


elektrode sampai dengan membran anorganik karena memiliki properti penyerapan yang kuatdan luas permukaan yang besar 1-3).

BAB II TEORI

2.1. Bahan nano karbon pembuat elektrode

2.1.1. Karbon nanoporous

Bahan karbon nanoporous memiliki sifat-sifat berikut ini, yang mana menjadikan

bahan ini sebagai salah satu bahan terbaik untuk aplikasi elektrode p,ada kapasitor super.1. Memiliki luas permukaan spesifik yang besar (1000-2000 m Igm).

Luas permukaan yang besar ini dapat dioptimalkan untuk menyimpan ion-ionsehingga pada akhirnya diperoleh nilai kapasitan yang tinggi.

2. Memiliki distribusi ukuran pori-pori yang kecil.3. Elektrode dari bahan karbon nanoporous dapat digunakan untuk kapasitor super

berbasis elektrolit organik.lon-ion dari elektrolit organik lebih besar dan membutuhkan pori-pori yang lebih besarguna menahan ion-ion ini. Karbon nanoporous dapat diatur pori-porinya menjadiberukuran yang berbeda, sehingga menjadikan elektrolit terbuat dari bahan karbonnanD porous dapat dipakai ketika kita sedang memanfaatkan elektrolit organik, daninilah yang merupakan keuntungan dimana kita bisa menggunakan elektrolit organikyang memiliki kelebihan penghantaran tegangan tinggi.

4. Elektrode karbon dengan berbagai ukuran pori-pori terdistribusi di dalamnya memilikipotensi dikembangkan sebagai elektrolit dengan lingkup nilai yang luas.

5. Penyimpan energi tinggi dan densitas tinggi.Nilai energi yang disimpan di dalam kapasitor mengikuti persamaan 0.5CY2 (dimanaC adalah nilai kapasitan dalam satuan Farad dan Y adalah tegangan dalam satuanvolt). Karena mampu menyimpan energi tinggi, kapasitor pada prinsipnya dapatdigunakan sebagai piranti penyimpan energi (contohnya dipakai untuk menyimpan1/10 energi di dalam baterai yang dapat diisi ulang).

6. Kapasitor super yang memiliki siklus isi dan pengosongan secara cepat.Kapasitor super berbasis karbon nanD porous didentifikasi dan dikarakterisasi melaluikekuatan densitas energi tingginya. Densitas energi ini digunakan untukmembandingkan seberapa cepat piranti ini dapat menyediakan energi.

7. Lifetime yang panjang.Elektrode berbasis karbon nanoporous memiliki jangka usia pakai (lifetime) yangpanjang (kurang lebih 1 000000 siklus).

2.1.2. Tabung Nano Karbon (CNT)

Tabung Nano Karbon (CNT), seperti yang telah kita ketahui bersama, telah menjadisalah satu bahan yang paling banyak diminati oleh para peneliti di seluruh dunia sejakdiketemukan pertama kali pada tahun 1991 oleh lijima 5-7). CNT murni memiliki karakteristikyang sangat unggul, luas permukaan untuk menyimpan energi yang sangat besar yaituberkisar 120-400 m2/g (Gambar 2-kanan). Hal ini karena didukung oleh karakter mesoporousCNT yang sangat tinggi yang tersusun secara entanglement dan atau juga didukung dengankeberadaan kanal sentral (Gambar 2-kiri).

428


Gambar 2. lIustrasi keteraturan struktur CNT dan properti elektriknya 5-7)

Diketahui bahwa dengan semakin besar proses grafitisasi bahan karbon tersebut,maka akan semakin rendah nilai kapasitannya. Selain dari rendahnya nilai kapasitan spesifikdari CNT, elektrode yang terbuat dari CNT menunjukkan nilai kapasitan sebesar 80 Fig. Nilaiini sedikit lebih rendah bila dibandingkan dengan nilai kapasitan dari elektrode berbasiskarbon nanoporous, namun para peneliti masih sangat berharap besar CNT akan dapatmemberikan nilai kapasitan yagn lebih besar lagi, mengingat bahwa CNT memiliki luaspermukaan spesifik yang besar, yaitu 400 m2/g. Hal ini menunjukkan bahwa kemungkinanrasio luas permukaan yang bisa digunakan untuk menyimpan energi dari CNT adalah lebihbesar dibandingkan dengan bahan karbon nanoporous. Pada penelitian ini, dengan tujuanuntuk meningkatkan nilai kapasitan dari kapasitor super berbasis CNT, kami dalamperencanaannya juga merancang untuk menambahkan unsur-unsur aditif menggunakanmetode ion implantasi, seperti yang telah dilaporkan oleh beberapa peneliti bahwapenambahan unsur-unsur oksida atau yang lainnya dapat meningkatkan luas permukaan darielektrode. Tabel 1 di bawah menunjukkan perbandingan elektrode berbasis bahan karbonnanoporous dan tabung nano.

Tabel1. Perbandingan elektrode berbasis bahan karbon Nanoporous dan Tabung Nano2)

Bahan Karbon Nanoporous Bahan Tabung Nano Karbon

Luas permukaan spesifik (m2/g) 1000-2000

120-400

Luas permukaan spesifik yang potensi berfungsi sebagai elektrodeKecil (banyak lubang (pores) tidak bisa

Tinggi(Karenamemilikikarakter

berfungsi untuk menyimpan energi karenamesoporousyangterkoneksidengan

cenderung

lebihmikro porous daripadaentanglementdanataujugakarena

mesoporous)keberadaan sentral canalnya)

Nilai kapasitan spesifik (Fig) Tinggi (320 Fig dalam bentuk elektrolit cair,

Rendah (80 Fig dalam bentuk elektrolit cair,160 Fig dalam bentuk elektrolit organik)

dan dapat ditingkatkan sampai130 Figdengan mengaktifkan fungsi tabung nano-nya)Biaya fabrikasi Murah

Mahal

Aplikasi ke industri dari bahan ini Sekarang sedang digunakan

Sedang dalam tahap penelitian

2.2. High Energy Milling (HEM)

Penggunaan HEM untuk mensintesa serbuk keramik, serbuk komposit dan serbuklainnya telah banyak dilaporkan di dalam beberapa literatur 8-15). Karakteristik penting dariserbuk yang diperoleh adalah meliputi ukuran kristal yang kecil, nilai luas permukaan spesifik

429


yang tinggi dan terbentuknya fase amort, sebagai konsekuensi dari proses milling yang telahdilakukan. Karakteristik-karateristik tersebut juga saat ini dapat diperoleh saat HEMditerapkan pada serbuk yang memiliki fase tunggal. Untuk bahan-bahan keropos yang miripdengan bahan karbon seperti alumina, proses penghancuran terhadap partikel utamadiperkirakan akan mendominasi awal dibanding proses deformasi dan penggabungan partikel(forging) yang muncul pada proses paduan mekanik (mechanical alloying), dan juga akanmenghasilkan nanD stuktur partikel dan partikel yang terkristalisasi.

2.2.1. HEM dan tahapan tipikalnya

Planetary ball milling, vibratory milling dan ball milling termasuk di dalamnya HEMadalah metode milling yang paling banyak dipakai di Laboratorium. Di dalam sebuah millingjenis planetary ball, seperti diperlihatkan pada Gambar 3, wadah dilengkapi disc bears untukrotasi, yang akan memutar ke arah yang berlawanan. Kecepatan rotasinya berada dalamorder beberapa ratus rpm. Lama durasi proses milling pada umumnya berkisar antarabeberapa ratus - beberapa puluh jam untuk milling jenis HEM. Serbuk yang akan dicampur,dimasukkan ke dalam wadah dalam jumlah proporsional sesuai kebutuhan, dicampurbersama dengan bola-bola kecil yang terbuat dari baja keras dan diselubungi oleh tungstencarbide, zirconia dan material lainnya. Jumlah bola yang dipakai bergantung kepada bahanyang akan dimilling dan volume wadah. Sedangkan untuk wadah untuk sendiri, pad aumumnya dilingkupi di dalam sebuah kotak glove dibawah kondisi beberapa jenisatmosphere, seperti gas argon, nitrogen, udara, atau di bawah kondisi vakum.

Besi baja

Fe dan Grafit

Gambar 3. Skematik diagram sebuah proses milling •Namun adakalanya gas nitrogen berpotensi bereaksi dengan serbuk yang ada di

bagian dasar untuk membentuk interstitial solid solution atau senyawa nitrida. Rasio beratserbuk terhadap bola biasanya berkisar 1/5 sampai 1/50. Wadah diisi serbuk kurang lebih 50%penuh, lalu digoyang dengan kuat oleh "high energy' milling untuk menghasilkan tumbukanantar bola atau antara wadah dan bola dengan kecepatan impak berkisar beberapa mls dandengan frekuensi goncangan berkisar beberapa Hz. Zat organik untuk mengaktifkanpermukaan adakalanya ditambahkan ke serbuk untuk mengoptimalkan keseimbangan antarapelelehan (welding) dan penghancuran (fracturing). Namun adakalanya zat ini berpotensimeningkatkan kontaminasi yang merugikan dasar serbuk terhadap udara karbon dan oksigen.

2.2.2. Transformasi panas di dalam HEM

Pengulangan proses penghancuran dan pelelehan partikel serbuk selama tumbukanmenimbulkan permasalahan yang perlu diganti secara permanen antara proses tersebut danelemen yang dicampurkan pada sebuah cara tranformasi jenis pembakaran (baker) 16). Padaproses paduan mekanik dari campuran serbuk yang dapat diubah bentuknya, partikel-partikeltersebut akan mengalami beberapa deformasi plastik yang mendominasi lebih dari kekuatanmekanik serbuk itu.

430


Tahapan utama dari proses di dalam HEM adalah sebagai berikut :1) Pencampuran dan deformasi plastik partikel serbuk yang diikuti oleh penghancuran dan

pelelehan, yang memberikan hasil ke pembentukan partikel komposit berstruktur mikroterlapis (layered microstructure).

2) Dominansi proses pelelehan, orientasi pelelehan secara random dan pembentukanpartikel equiaxed. Struktur lamellar menjadi halus dan halus serta dan tergulung.

3) Proses penstabilan kondisi yang ditandai dengan keseimbangan yang terbentuk antarapenghancuran dan pelelehan dari partikel yang telah menjadi keras dan tegang, dengandeformasi plastik memainkan peran yang dapat diabaikan, mengarah ke pembentukanpartikel menjadi berukuran lebih stabil.

Kekerasan yang meningkat pada serbuk mungkin dapat menyebabkan meningkatnyakontaminasi ke milling tools, dan yang lebih penting lagi adalah turunnya energi yangditransferkan dari bola ke serbuk 17).

Pada penelitian ini, penulis mencoba untuk mencari terobosan menyiapkan elektrodememakai teknologi HEM, serta mencoba pula memanfaatkan bahan karbon alam yangberkarakteristik karbon nanoporous sehingga pada akhirnya akan dapat diperoleh suatuteknik pembuatan bahan karbon untuk aplikasi pembuatan elektrode secara efisien danekonomis.

Pad a penumbuhan Grafit struktur nano dengan teknik HEM ini merupakan inovasidari teknik yang dikembangkan oleh peneliti Sony corp [Kajiura et.al] 18), dimana merekahanya memakai teknik milling biasa pad a suhu ruang. Perbedaan mendasar dari kedua teknikini dapat dilihat dari Tabel berikut.

Tabel 2. Perbandingan Unjuk Kerja Sistem Ball Milling dan High Energy Milling

Ball MillingHigh Energy Milling

Waktu milling

< 1 jam20 - 200 jam

Energi impak0.001

0.2( W/gram/ba/~

Ukuran partikel

flmflm (cluster)

Perubahan Struktur

Tidak adaAda

Reaksi kimia

Tidak adaAda

AtmosfirTidak ada pengontrolanVakum, pakai gas

Temperatur

Tidak ada pengontrolanL-N2-700°C

2.3. Teknik evaporasi fisika

2.3.1. Pulsed Laser Deposition (PLD)

T~"pical Deposition Conditions:• T~mpCf:llUre: RT - 950°C• Pressure: JO-7 - I Torr

• IX-posilion Ral~: 0.1 - 10 Ns...'C

Chamber

Vacuum Wiodo1a.'/ UV Trmsparenl

/ I ~i~, ILmer

Heated Substro1~

Rgure 1. A schematic diagram o( a COr!l'erltlorlalPLO system Is shoUT!.

Gambar 4. Skematik diagram sistem konvensional PLD 34)

431


Seperti yang telah dijelaskan pada pendahuluan di atas, kapasitor super memberikansuatu kombinasi yang unik sebagai piranti, yaitu bertenaga tinggi dan memiliki performaenergi tinggi. Densitas energi dari kapasitor super adalah 100 kali lebih besar dibandingkandengan dielectrik kapasitor yang umum dan densitas tenaganya 10 kali lebih besar daripadabaterai biasa. Seiring dengan adanya kecenderungan semakin kecilnya peralatan elektronikserta tuntutan untuk dapat menyimpan energi dalam jumlah besar, maka komponenelektronik pada laptop, baterai kendaraan bermotor dan piranti digital lainnya dituntut untukmemiliki nilai kapasitan yang tinggi dan mampu menyimpan serta menyuplai energi dalamjumlah yang lebih besar. Akan tetapi, fakta yang ada saat ini pada metode fabrikasikonvensional kapasitor, yaitu metode sintering serbuk sudah tidak memungkinkan lagi untukdapat membuat lebih tipis lagi lapisan dielektriknya. Permasalahannya adalah (i) timbulnyareaksi oksidasi pad a lapisan dalam (internal layer), (ii) timbulnya dis-koneksi akibat prosessintering dan (iii) dikarenakan ukuran butiran (grain) dari serbuk keramik sulit untuk dibuatlebih kecil lagi, akibat adalah sulitnya mengembangkan lapisan dielektrik dengan ketebalankurang dari 10 11m 19).

Dalam rangka untuk mengatasi permasalahan ini, berbagai macam metode fabrikasi

lapisan tipis telah diterapkan untuk mempersiapkan lapisan dielektrik dan elektrode padakapasitor, seperti sputtering 20,21), teknik evaporasi deposisi logam organik (MOVD) 22,23 danteknik sol gel 24). Namun metode-metode ini memiliki kecepatan deposisi yang rendah,struktur peralatannya rumit dan kompleks, serta diperlukan waktu dan usaha yang banyakdalam mempersiapkan bahan dasar untuk proses deposisi-nya, sehingga kita mendapatkankesulitan di dalam pendekatan terhadap penelitian dan pengembangan dengan teknik-tekniktersebut.

Sedangkan metode fabrikasi lapisan tipis Pulsed Laser Deposition (PLD) yangdewasa ini semakin sering dipakai oleh para peneliti di dunia, merupakan suatu teknikpembuatan lapisan tipis yang dapat diterapkan di berbagai bahan-bahan penting 25,26).

Keuntungan secara prinsip dari PLD adalah target akan diablasikan dengan komposisi yangstoikiometri, setting peralatan PLD adalah fleksibel dan sederhana (Gambar 4), sehinggamemudahkan kita di dalam mengontrol komposisi dari film yang kita buat. Salah satu kendaladari metode PLD adalah keberadaan partikel yang menempel di permukaan film 27-30), dimanasebagian besar dari partikel tersebut dipercaya berasal dari interaksi antara laser dan targetdi saat proses iradiasi 29-31). Sekarang, PLD telah menjadi sebuah teknik yang dikenal luasuntuk menumbuhkan film berbagai macam bahan secara luas, mulai dari keramik oksidasampai dengan paduan metal. Gambar 5 menjelaskan skematika mekanisme yangkemungkinan muncul di saat interaksi antar atom sewaktu proses PLD dilakukan.

Time

_I ,.. ,

---------!~(~.!11l" Il

(a)

...........-

(b)

'" '" ••••. T-

(d)

I 1Gambar 5. Proses atomic berefek ke 3 dimensi pertumbuhan pada lapisan tipis

oleh PLD 25,26)

Iradiasi akan diserap dan kemudian menginduksi bahan target secara aktif dengankecepatan pemanasan yang sangat cepat dan dalam volume yang siginifikan. Ini akanmenyebabkan fase transisi, dan mengintroduksi gelombang stress beramplitudo tinggi padatarget zat padat. Bahan target juga akan mulai meleleh dan ekspansi ke fase gas. Gambar 6menunjukkan bentuk tipikal dari permukaan target yang diiradiasi dengan PLD.

432


Gambar 6. Observasi SEM terhadap permukaan target yang diiradiasi dengan PLD 25.26)

Berbagai maeam solusi telah diusulkan dan dipresentasikan untuk mengurangijumlah partikel-partikel yang menempel di permukaan lapisan tipis 32), salah satunya adalahdengan menggunakan target densitas tinggi. S. Mustofa dan kawan-kawan 33) telah berhasildi dalam mempersiapkan bahan target keramik oksida untuk ablasi PLD yang memilikidensitas relatif tinggi menggunakan teknik sintering, dimana pada penelitian kali ini tekniksintering ini akan eoba dimodifikasi sehingga mampu pula untuk dipakai dalam pembuatantarget berbasis bahan karbon dengan tingkat densitas tinggi.

BAB III TAT A KERJA

3.1. Alat dan Bahan

Peralatan yang digunakan untuk milling adalah High Energy Milling (HEM) SpeX8000 yang terdapat di laboratorium Bidang Karakterisasi dan Analisis Nuklir (BKAN), PusatTeknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN - BATAN) , dengan spesifikasi normal speed = 1500rpm, run time = 90 menit, off time = 30 men it, dan on-off cycle = 1 kali, seperti yangditunjukkan pad a Gambar 1. HEM ini terdiri dari sebuah wadah (via~ yang di dalamnyaterdapat bola-bola (ball mil~ yang bergerak seeara spin dan berfungsi untuk menghaneurkanbahan tersebut. Wadah ini terbuat dari bahan stainless steel (SS) dengan bentuk sepertitabung dengan panjang 7,6 em dan diameter 5,1 em. Sedangkan ball mill juga terbuat daribahan stainless steel (SS) dengan diameter bola sebesar 12 mm. Tujuan dari persiapanbahan nana karbon menggunakan HEM di sini adalah untuk mendapatkan bahan karbonyang memiliki struktur nanD porous, dan juga sebagai langkah awal untuk memproduksi CNTdengan seeara sederhana tanpa pemanasan aniling yang biasa dipakai dalam pembuatanCNT selama ini.

Gambar 7. Perala tan HEM dan wadah yang digunakan pada penelitian ini

433


Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah serbuk grafit (karbon, C) 99,5%dengan ukuran 10 11m. Serbuk grafit ditimbang sebanyak 20 gram, kemudian di-millingselama 25, 50, 75 jam dan 100 jam dengan HEM, dengan perbandingan berat bolalberatsampel sekitar 1,5 : 1 dalam wadah kecil (5 cc) pada temperatur ruang. Untuk menghindarikerusakan pada alat milling akibat peningkatan suhu motor yang terlalu tinggi, maka untuksetiap siklus milling selama 90 menit, proses dihentikan sekitar 0,5 jam untuk tujuanpendinginan motor. Dalam proses milling ini wadah serta bola yang digunakan terbuat daribahan besi baja (stainless stee~.

Serbuk grafit hasH milling ini masing-masing diidentifikasi dengan difraktometer sinarX (XRD) Phillips APD 3520 dan selanjutnya dilakukan analisis menggunakan program Origindengan pendekatan Gausian Fitting Analysis. Tabel 3 berikut memperlihatkan seting kondisimilling di masing-masing bahan.

Tabel 3. Seting kondisi proses milling memakai HEM")

Seting KondisiNo

Bahan Rasio serbuk: bolaWaktu Milling (hrs)Analisis

HEM

HEM

1

Grafit karbon1 : 1.5 10 - 100XRD, LCR, SEM/EDX2

Fe-C / CNT1 : 1.5 4.5LCR

*) HEM memakai wadah besar ukuran 50 ee.

3.2. Pembuatan lapisan tipis

3.2. 1. Persiapan pelet untuk target sputtering

Campuran serbuk hasH proses milling ini kemudian masing-masing ditimbangsebanyak 0,5 gram, dan setelah itu dibuat menjadi bentuk pelet berdiameter 15 mmmenggunakan mesin pres hidraulik merk Enerpac dengan tekanan 5000 psi (30 GPa), yangterdapat di BKAN, PTBIN-BATAN (diawal eksperimen) dan di Jurusan Fisika MIPA ITBBandung sebagai pemecahan karena alat yang di BKAN rusak dan tidak memungkinan untukpembuatan pelet bahan karbon. Ketika tekanan mesin pres mencapai 5000 psi, penekanandidiamkan selama 10 menit untuk menyempurnakan pembentukan pelet, sehingga pelettersebut kuat dan tidak mudah pecah.

Pertama-tama setelah bahan target untuk evaporasi fisika terbentuk, diukur nilaidensitas target tersebut apakah memang sudah memiliki densitas yang cukup tinggi sehinggaoptimal untuk dipakai sebagai target dari PLD ataupun sputtering. Kemudian bila komposisikapasitor super sudah terbentuk, akan diukur properti elektriknya memakai LCR meter. Selainitu, untuk penerapan sebagai piranti penyimpan energi, kita akan buat rangkaian sederhanalalu diukur nilai kapasitan serta ketahanannya terhadap suhu lingkungan denganmenggunakan furnace dan LCR meter. Pelet yang terbentuk ini kemudian diukur sifatelektriknya memakai LCR meter dengan parameter frekuensi antara 10Hz - 100 kHz, padategangan potensial V = 1 volt serta pada temperatur ruang.

3.2.2. Fabrikasi lapisan tipis BSTO untuk elektrode dengan teknik PLO

Lapisan tipis BSTO yang akan diaplikasikan untuk elektrode pada kapasitor atausensor, difabrikasi menggunakan teknik PLD dengan peralatan dan skema sepertidiperlihatkan pada Gambar 8. Di depan substrat dipasang 8 jenis mask berbentuk mesh dandipasang pula 4 jenis target, sehingga dapat difabrikasi 16 buah sampel lapisan tipis secarabergantian tanpa harus membuka chamber dan mengganti substrat atau target. Pembuatanlapisan tipis campuran BaTi03 dan SrTi03 (selanjutnya disingkat dengan BSTO) dilakukandengan menembakkan radiasi laser ke target BaTi03 dan SrTi03 secara bergantian, dengancara memutar target holder yang telah dipasangi pelet target BaTi03 dan SrTi03, dan padaakhirnya partikel BaTi03 dan SrTi03 yang terkena radiasi laser akan dideposisikan kesubstrat Si02 yang dipasang sejajar di depan pelet target. Selanjutnya lapisan tipis elektrodeBSTO diukur properti elektriknya menggunakan instrument ukur LCR meter.

434

Rekayasa bahan partikel nana karbanuntuk aplikasi piranti energi dan sensor (Dr. Salim Mustafa)

Flg.l Schematic diagr.ulI'I of combinatoJbl sysytem

Gambar 8. Perala tan PLD dan skematik ilustrasi dari sistem PLD yang dipakai untukfabrikasi lapisan tipis BSTO untuk aplikasi elektrode kapasitor atau sensor 34)

3.2.3. Fabrikasi lapisan tipis dengan sputtering

Lapisan tipis grafit karbon untuk elektrode pada kapasitor atau sensor, difabrikasimenggunakan teknik sputtering memakai peralatan yang ada di Jurusan Fisika MIPA ITBBandung, dengan susunan peralatan seperti diperlihatkan pada Gambar 9. Jarak antaratarget grafit karbon dan substrat adalah 40 mm, memakai Substrat Si (100), temperatursubstrat 150°C - 300°C, lama proses sputtering 30 dan 60 menit. Target sputtering yangdipakai adalah pelet grafit karbon yang merupakan pemadatan serbuk grafit karbon hasilmilling 18-50 jam. Sebelum dipasang di dalam chamber, substrat dibersihkan dengan etanolmemakai teknik pembersihan ultrasonic.

Chamber Instrumen kontrol

Gambar 9. Chamber dan perala tan kontrol pada peralatan sputtering yang dipakai untukfabrikasi lapisan tipis grafit karbon

3.3. Karakterisasi fase dan observasi morfologi

Masing-masing sampel, baik serbuk setelah diproses milling maupun lapisan tipishasil fabrikasi yang menggunakan target pelet diselidiki sifat-sifat fisisnya, yaitu dimulai dariukuran partikel serbuk hasil proses milling memakai SEM 515 Philip dan porositasnyamemakai alat ukur porositas BET yang ada PTAPB BATAN Yogyakarta, komposisi faseserbuk hasil milling serta sampel lapisan tipis dianalisis dengan XRD merek Philip, typePW1710, ketebalan lapisan tipis diobservasi memakai SEM, kemudian morfologi serbuk hasilmilling dan permukaan lapisan tipis hasil fabrikasi diobservasi memakai SEM dan FE-SEM.Gambar 10 dibawah memperlihatkan peralatan XRD dan SEM yang ada di BKAN dan BBIN,PTBIN yang digunakan pad a penelitian ini. Seting kondisi XRD terhadap sampel adalahmemakai berkas sinar-X dari tube anode Cu dengan panjang gelombang, A, = 1,5406 A,mode = continuous-scan, step size = 0,02°, dan time per step = 0,5 detik.

435

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti

3.4. Pengukuran properti elektrik

ISSN 2087-8079

Kapasitor lapisan tipis yang dibuat dengan teknik PLD diukur kapasitan statis danresistannya memakai LCR meter (Agilent Technologies: 4284A). Pada sampel dipasangkabel Au memakai perekat Ag. Metode pengukuran memakai teknik 4 terminal. Nilaikapasitan (Cp) dan resistan (Rp) diukur pad a frekuensi 1k-1 MHz. Pengukuran mampudilakukan pada kecepatan tinggi secara berg anti an terhadap 16 buah sampel, dan datadikirimkan langusung ke PC, seperti pada Gambar 11.

PC LCR

Multi materMultimeter

Relay box,00-----· 0•••

4 terminals

Sample Au wire

Gambar 11. Sistem evaluasi properti elektrik kecepatan tinggi pada lapisan tipis kapasitor 34)

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Pengembangan karbon nano struktur dengan HEM

4.1. 1. Komposisi fase serbuk hasH karakterisasi dengan XRD

C(002) C(004)Graflt Sundar

Milling 25 jam

Milling 60 Jam

Milling 75 Jam

MIlling 100 Jam

10 20 30 40 50 60

Sudut Difraksi, B(derajet)

70 80

Gambar 12. HasH analisis XRD sampel setelah diproses milling 35)

436


Bahan serbuk grafit karbon diproses dengan High Energy Milling (HEM) dengan rasioserbuk dan bola 1 : 1.5 dengan lama proses masing-masing 10 - 50 jam. Serbuk grafit karbonhasil HEM dipadatkan pada tekanan sampai 15 Ton, untuk nantinya dipakai sebagai targetsputtering pada pembuatan film tipis. Hasil identifikasi XRD terhadap pelet terbentuk darikarbon struktur nanD hasil milling 25 - 100 jam diperlihatkan pada Gambar 12. Pelet yangterbentuk dilakukan pengujian dengan XRD yang menunjukkan bahwa semakin lama sampeldi-milling, maka puncak intensitasnya semakin turun yang berarti bahwa semakin lama waktumilling semakin menunjukkan perubahan fase dari kristal ke fase amorfous. Dari Gambar 12terlihat bahwa intensitas puncak yang muncul hanya puncak difraksi karbon C (002) dan C(004), artinya hal ini menunjukkan karbon hasil milling masih didominasi oleh fase heksagonal.Sebagai pembanding dimasukkan hasil HRD dari pelet terbentuk dari karbon standar.

4.1.2. Porositas grafit hasil milling

Selanjutnya dari kesemua sampel yang telah diproses milling, kami melakukanpengukuran tingkat porositas terhadap grafit setelah diproses milling memakai HEM denganwaktu milling 5-50 jam. Seperti diperlihatkan di Gambar 13, surface area dari serbukmengalami kenaikan seiring dengan kenaikan waktu milling dan mengalami puncaknya disaatmilling 18 jam. Setelah 18 jam milling, surface area turun secara drastis, dan secara perlahannaik seiring dengan kenaikan waktu milling.

300

250

200'"'"~ 150'""~ 100:::J

(/)50

o

-50

o 20 40 60

0.6

LL 0.5.3-U 0.4aiUc: 0.3~·0[ 0.2nIU

0.1

oo 10 20 30 40 50 60

Waktu

Gambar 13. Hubungan surface areaserbuk dan waktu proses milling 36)

Waktu miling, T (hours)

Gambar 14. Hubungan waktu milling dan nilaikapasitan grafit setelah milling 36)

4.1.3. Properti elektrik grafit hasil milling dengan instrumen ukur LCR meter

Uji sifat listrik dilakukan dengan LCR meter dari frekuensi 100 Hz - 100 kHz. Hasil

pengukuran menunjukkan bahwa nilai kapasitan sampai dengan waktu milling 18 jammengalami peningkatan, namun setelah itu nilai kapasitan turun drastis seiring denganbertambahnya waktu milling, seperti diperlihatkan pad a Gambar 14 diatas. Hasil ini kalau kitakorelasikan dengan hasil pengukuran porositas (lihat Gambar 13), maka ada kemungkinanserbuk karbon setelah proses milling 18 jam memiliki surface area yang paling besar, dan inimerupakan salah satu alasan kenapa pad a saat itu serbuk setelah dipelet dan diukurdidapatkan hasil nilai kapasitan maksimal.

4.1.4. Pengamatan morfologi partikel serb uk grafit karbon hasil milling dengan SEM

Hasil pengamatan morfologi serbuk grafit sebelum dan sesudah diproses (0 - 100jam) milling ditunjukkan pad a Gambar 15. Pada Gambar 15 terlihat bahwa gambar mikropermukaan serbuk grafit pre-milling (0 jam waktu milling) menunjukkan bahwa bahan serbukawal yang dipakai pad a aktualnya adalah berukuran sekitar 10 11m,hal ini sesuai denganspesifikasi yang diterima dari pemasok bahan serbuk tersebut. Selanjutnya, seiring dengansemakin lamanya proses milling, dari foto pada Gambar 15 ditunjukkan dengan jelas bahwaukuran serbuk mengalami pengecilan akibat penghancuran dari bola-bola milling. Untukserbuk grafit yang diproses milling selama 25 jam, maka ukuran serbuk menjadi sekitar 670nm, untuk proses milling 50 jam maka ukuran serbuk menjadi sekitar 220 nm, untuk proses

437


milling 75 jam maka ukuran serbuk menjadi sekitar 140 nm, dan untuk proses milling 100 jammaka ukuran serbuk menjadi sekitar 70 nm.

12:06 x4.0k 20 urn

Milling 75 jam Milling IOOjam

Gambar 15. HasH pengamatan morfologi dengan SEM serbuk grafit sebelum dansesudah proses milling dengan HEM 37)

Dari hasil identifikasi serbuk grafit dengan XRD ditunjukkan bahwa penurunanintensitas puncak difraksi yang sangat signifikan akibat proses milling terhadap serbuk grafitadalah berhubungan erat dengan pembentukan struktur kristal yang semakin keci!. Hasil inilebih lanjut dibuktikan dan didukung dengan hasil pengamatan morfologi serbuk grafitmenggunakan SEM, yaitu dapat diketahui bahwa semakin lama proses milling dilakukanterhadap serbuk grafit maka ukuran struktur serbuk karbon yang terbentuk menjadi semakinkecil pula. Fenomena mengecilnya ukuran partikel serbuk grafit ini disebabkan karenaadanya tumbukan antara bola-bola milling dan serbuk grafit serta tumbukan serbuk grafit kedinding wadah oleh bola-bola milling, sehingga terjadilah proses penghancuran serbuk grafitmenjadi serbuk grafit berukuran yang lebih keci!. Dengan demikian, serbuk grafit diprosesmilling dengan teknik HEM dapat menghasilkan karbon berstruktur nano.

438

c c


c

JlJl ~jl==~ w ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~Pre Milling

c

~ w ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~Milling 10 jam

c

~ w ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~Milling 15 jam

Jl JLd_. _~ w ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

Milling 25 jam

~ w ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~Milling 50 jam

Gambar 16. Hasil analisis komposisi unsur memakai EOAX terhadap karbon sebelum dan sesudah proses milling dengan Planetary 8a1/36)

439

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiahJabatan Peneliti ISSN 2087-8079

Selanjutnya dilakukan analisis komposisi unsur terhadap sampel karbon baiksebelum maupun sesudah diproses milling menggunakan EDAX, seperti diperlihatkan pad aGambar 16. Dari hasil analisis dengan EDAX diketahui bahwa seluruh sampel hanyamengandung unsur karbon, dan tidak ditemukan kontaminasi ataupun senyawa baru hasilbentukan dari proses milling. Hal ini membuktikan pula bahwa proses milling dengan HEMmurni hanyalah merupakan proses penumbukan bola-bola ke serbuk yang membuat ukuranserbuk menjadi semakin kecil ke ukuran minimal bisa mencapai nanD (Iihat Gambar 16),tanpa diiiringi dengan reaksi pembentukan senyawa baru sebagai akibat dari panas yangtimbul dari proses penumbukan tersebut.

4.2. Pengembangan lapisan tipis untuk elektrode dengan metode PVD

4.2.1. Penumbuhan BSTO keramik memakai teknik PLO

400nm-(a) Lapisan tipis PtiBaTi03lPt

50 J1. m

(b) Kapasitor komersil (MLCC)

Gambar 17. Cross section lapisan tipis dan kapasitor komersil (MLCC) 37)

Gambar 17 memperlihatkan cross section kapasitor jenis lapisan tipis PtiBaTiO:/Ptdan kapasitor komersil (ukuran 1608mm). Kapasitor komersil diproduksi dengan teknikpowder sintering, karena itu memiliki lapisan dielektrik yang tebal, serta terlihat adanyalapisan elektrode yang terputus. Sedangkan untuk kapasitor jenis lapiran tipis hasileksperimen memiliki lapisan dielektrik yang cukup tipis yaitu sekitar 400 nm, sertamorfologinya halus merata. Kontrol ketebalan lapisan tipis dari lapisan elektrode dandielektrik mampu dilakukan melalui kontrol terhadap frekuensi pulse radiasi. Gambar 16menunjukkan hubungan antara frekuensi rasio dielektrik per layer kapasitor jenis lapisan tipisPtiBaTiO:/Pt dan kapasitor jenis komersil.

100V PtlBaTiO/Pt on SiOlSi 873K'Y 1608size

'Y 'Y 'Y 'Y 'Y 'Y 'Y 'Y 'Y

1o 20 40 60

Frequency,f /kHz

80 100

Gambar 18.Hubungan antara frekuensi dan konstanta dielectric constant

440


Rasio diel~ktrik dari kapasitor jenis lapisan tipis PtiBaTiO:ylPt mengalami penurunandrastis dari 200 menjadi 30, pada frekuensi pengukuran naik dari 100 Hz menuju ke 20 kHz,dimana nilai dielektrik menjadi 20 disaat frekuensinya menjadi 60kHz, dan menjadi 3 padasaat frekuensinya menjadi 1MHz. Bila dibandingkan kapasitor jenis komersil, memiliki nilaidielektrik 10 kali lipat lebih besar. Akan tetapi, pad a kasus kapasitor jenis lapisan tipis,perubahan kapasitan terhadap perubahan frekuensi begitu besar bila dibandingkan dengankapasitor komersil ukuran 1608, dan masih belum dapat memenuhi persyaratan JIS untukperubahan kapasitan yaitu sebesar ± 5%. Untuk itu maka pada penelitian ini kemudiandilakukan doping SrTi03 dalam berbagai rasio pencampuran, yang mana SrTi03 memilikitingkat kestabilan yang sangat tinggi terhadap perubahan frekuens, walaupun dilain pihaknilai kapasitannya tidak terlalu besar dibandingkan dengan BaTi03. Lapisan tipis Ba,_xSrxTi03yang telah dibuat memiliki fase amort, dan belum terlihat adanya perbaikan pada karakteristikfrekuensi.

Untuk itu, setelah deposisi, dilakukan proses re-kristalisasi selama 12 jam pad a suhu973K. Gambar 19 memperlihatkan efek volume doping terhadap rasio dielektrik padafrekuensi 1 MHz untuk kasus kapasitor jenis lapisan tipis yang telah dicampurkan elemenSrTi03. Rasio dielektrik memiliki tren turun seiring dengan peningkatan rasio X. Pada saatrasion X=0.3~0.4, terlihat adanya penurunan rasio dielektrik yang drastis. Hal ini diakibatkankarena adanya perubahan dari Tetragonal yang menunjukkan sifat ferroelektrik, menuju kecubic yang menunjukkan sifat para elektrik. Namun, melalui penggantian BaTi03 dengan40%SrTiO, perubahan kapasitan menjadi stabil selevel dengan kapasitor komersil, sepertipada Gambar 20.

3

i 2~'"couu.~ 1..!!"Q

o

• After annealing ICubic

Tetragonal

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

SrTiO, -? X

20

0U -20

--U<1 -40

-60-80

0

o As deposited

• 12h anealing

200 400 600 800 1000Frequency,f / kHz

Gambar 19. Hubungan antara X dankonstanta dielectric pada lapisan tipis

kapasitor Pt/Bal_XSrX TiO:/Pt 38)

Gambar 20. Hubungan antarafrekuensi dan L1GIG pada lapisan tipis

BaO.6Sr0.4Ti03 38)

4.2.3. Penumbuhan karbon di atas substrat Si memakai metode sputtering

Parameter eksperimen pembuatan thin film memakai metode sputtering adalahmemakai Substrat Si (100), temperatur substrat 1000G - 300oG, lama proses sputtering 30menit. Hasil observasi mortologi permukaan thin film dengan SEM diperlihatkan padaGambar 21 dibawah. Target yang dipakai adalah pelet karbon hasil milling dengan HEMselama 25 jam dan lama sputtering 30 men it.

441


Temperatur sputtering 150°C




Gambar 21. Hasil pengamatan morfologi karbon film tipis yang dibuat memakaimetode sputtering 39)

Hasil observasi SEM memperlihatkan thin film memiliki morfologi homogen, dengantingkat kepadatan yang cukup tinggi, serta tidak banyak ditemukan droplet partikel yangmerupakan salah satu permasalahan dari metode sputtering ataupun metode PVD lainnya.

Si(111 ) .BES 20l<:V WD11mm 5560 40Pa .3100 - c----- Sj>m

General none 0001 13Aug 2009

Suhu sputtering 150°C

Si(111 )

BES 20kV WD11mm S560 40Pa x3.700 ------,,- 5"mGene-rat r.one 0001 13 Aoq 2009


442

Rekayasa bahan partikel nana karbanuntuk aplikasi piranti energi dan sensar (Dr. Salim Mustafa)

Si(lll)BES 20'V WD11mrn SS60 38Pe >3,700 - 5IImGenet'~1 none 0001 13Aug2009


Si(lll)BES 20kV WD11mrn SS60 3aPe >3.700 - 5IImGeneral none 0001 13Aug2009


Gambar 2. Hasil pengamatan morfologi cross section karbon film tipis yang dibuatmemakai metode sputtering 35)

Oari foto SEM kita dapat melihat bahwa nampaknya temperatur 300°C memberikanhasil morfologi yang sangat merata dan homogen dibandingkan temperatur lainnya. Namundemikian dari hasil pengamatan SEM terhadap cross section film tipis dengan suhu sputtering150°C - 300°C diperlihatkan bahwa lama proses sputtering 30 menit belum mencukupiketebalannya dan strukturnya juga masih sedikit rapuh (Iihat Gambar 22).

4.3. Persiapansintesis karbon CNT

4.3.1. Properti elektrik campuran grafit karbon dan Fe-C

Oengan tujuan untuk mencari terobosan peningkatan sifat properti dielektrik pad abahan grafir karbon sehingga dapat meningkatkan properti bahan grafit karbon terse but,maka telah dilakukan penyelidikan efek penambahan rasio CNT terhadap sifat elektrik bahangrafit karbon yang dido ping CNT. Rasio doping CNT terhadap bahan grafit karbon adalah 00.20 berat%. Setelah bahan grafit karbon dicampur dengan CNT, kemudian diproses millinglalu dipadatkan dengan mesin pres, untuk selanjutnya diukur sifat properti elektriknyamemakai instrumen ukur LCR meter yang ada di BKAN PTBIN BATAN. Hasil pengukurannyaadalah seperti diperlihatkan pada Gambar 23, nilai dielektrik campuran FeC-CNT mencapaimaksimal pada saat rasio berat % CNT 0.05, setelah itu nilai dielektrik cuplikan sampelcenderung mengalami penurunan, seiring dengan peningkatan penambahan rasio berat %CNT.

3.600E-05

.., 3.000E-05~>E 2.400E-05E'-~ 1.800E-05<.)'C

~ 1.200E-05.~o

6.000E-06

O.OOOE+OO

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Rasio CNT (weight%)

Gambar 23. Hubungan korelasi antara rasio CNT di dalam Fe-C terhadap nilai dielectricpermitivity dari bahan serb uk campuran Fe-GIGNT terse but

443

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti

BAB V KESIMPULAN

ISSN 2087-8079

Dalam penelitian ini telah dilakukan studi tentang rekayasa bahan berbasis karbondengan berbagai teknik untuk aplikasi piranti energi dan sensor, dimulai dari pengembanganbahan karbon berstruktur nano memakai metode Mechanical Alloy yaitu teknik High EnergyMilling (HEM), dilanjutkan dengan pengembangan lapisan tipis karbon dengan PVD memakaitarget yang terbuat dari padatan serbuk grafit karbon berstruktur nano hasil proses milling,pengembangan lapisan elektrode berbasis keramik BSTO dengan mendoping unsur Sr kelapisan tipis BaTi03 yang difabrikasi dengan teknik Pulsed Laser Deposition (PLD), sertausaha terobosan peningkatan sifat properti dielektrik pada bahan grafir karbon melaluipencampuran CNT ke dalam grafit Fe-C, sehingga dapat disimpulkan sebagai berikut :1. Dari hasH identifikasi XRD dan observasi SEM terhadap sampel serbuk bahan grafit

karbon hasH milling dapat diketahui bahwa semakin lama proses milling dilakukan,ukuran struktur serbuk karbon yang terbentuk menjadi semakin kedl pula sampai keukuran skala nano, dimana hal ini disebabkan karena adanya tumbukan antara bolabola milling dan serbuk grafit serta tumbukan serbuk grafit ke dinding wadah oleh bolabola milling, sehingga terjadilah proses penghancuran serbuk grafit menjadi serbuk grafitberukuran yang lebih kecil. Hal ini membuktikan bahwa poses milling dengan teknikHEM dapat menghasilkan karbon berstruktur nano.

2. Uji sifat listrik dengan LCR meter menunjukkan nilai kapasitan meningkat dan mencapaimaksimal pada milling 18 jam, namun setelah itu nilai kapasitan turun drastis seiringdengan bertambahnya waktu milling. HasH ini sejalan dengan hasil porositas, dimanamemiliki luas permukaan (surface area) yang paling besar pada proses milling 18 jam.

3. Hasil analisis EDAX menunjukkan seluruh sampel hasil milling hanya mengandungunsur karbon, dan tidak ditemukan kontaminasi ataupun senyawa baru hasil bentukandari proses milling. Hal ini membuktikan bahwa proses milling dengan HEM murnihanyalah penghancuran serbuk ke ukuran kecil bahkan mencapai ukuran nano.

4. Kapasitor jenis lapisan tipis hasil eksperimen memiliki lapisan dielektrik yang jauh lebihtipis (400 nm) dibandingkan ketebalan kapasitor komersil yang diproduksi dengan teknikpowder sintering, serta morfologinya halus merata dibandingkan kapasitor komersil yangterlihat ada lapisan elektrode yang terputus di dalamnya.

5. Melalui penggantian BaTi03 dengan 40%SrTiO, perubahan kapasitan menjadi stabilsetingkat dengan kapasitor komersil.

DAFT AR PUST AKA

[1] Elzbieta Frackowiak, Francois Beguin, Electrochemical Storage of Energy in CarbonNanotubes and Nanostructured Carbons, Carbon 40 (2002), 1775-1787.

[2] Q.Jiang, M.Z Qu, G.M. Zhou, B.L. Zhang, Z.L. Yu, A Study of Activated CarbonNanotubes as Electrochemical Supercapacitors Electrode Materials, Materials Letters 57(2002) 988-991.

[3] Heon-Cheol Shin, Meilin Liu, B. Sadanandan, Apparao M. Rao, ElectrochemicalInsertion of Lithium Into Multi-walled Carbon Nanotubes Prepared by CatalyticDecomposition, Journal of Power Sources, 112 (2002) 216-221.

[4] Ranjan Kumar Dash and William J. Schrepple, Supercapacitors and Li Batteries Nanoporous Carbon/Graphite Vs Carbon Nanotube, Nanostructured Carbon Materials(2003),1-15.

[5] Y.Gogotsi, J.D. Jean, M.J. McNallan, J. Mater. Chem. 71841-1848 (1997).[6] Nikitin and Y.Gogotsi, Nanostructured Carbide-Derived Carbon (CDC).[7] Technical Papers from Skeleton Technologies.[8] G.B. Schaffer and P.G. McCormick, Metal. Trans. A, 21 (1990) 2789-94.[9] P. Matteazzi and G. Le Caer, J. Am. Ceram, Soc., 74,6 (1991) 1382-90.[10] P. Matteazzi and G. Le Caer, J. Am. Ceram, Soc., 75,10 (1992) 9-55.[11] D. Michel, F. Faudot etc, J. Am. Ceram, Soc., 76,11 (1993) 884-88.[12] A. Calka, W.A. Kavzmarek, Scripta Metal. Mater., 26, 2 (1992) 249-53.[13] BK Yen, T. Aizawa, J. Kihara, J.Am. Ceram, Soc., 79, 8 (1996) 2221-23.

444


[14] W. J. Botta FQ, D.E. Hanai, B.N. Santana, N.R Oliveira Jr., R Tomasi, Mater. Sci. Forum,179-181 (1995) 635.

[15] R Tomasi, E.M.JA Pallone, F. Ferralfo, W.J. Botta FQ, Proceedings of the 4th Int. Cont.Composites Eng. ICCE/4, Big Island of Hawaii, July 1997. pp. 981-2.

[16] P.H. Shingu, K.N. Ishihara and AOtsuki, Materials Sci. Forum, 179-181 (1995), pp.5-10.[17] Le Caer, P. Delcroix, S. Begin-Colin and T. Ziller, Hyperfine Interactions, 141/142, 1-4

(2002) pp. 63-72.[18] Kajiura et.al, Sony Corp News, 2003.[19] Yohachi Yamashita, Amer. Cer. Soc. Bull., 73 (1994) p. 74.[20] S.S. Thony, H.W. Lehmann, P. Gunter, Appl. Phys. Lett. 61 (1992) p. 373.[21] C.H.J. Huang, TA Rabson, Opt. Lett. 18 (1993) p. 811.[22] HA Lu, L.A. Wills, BW. Wessels, W.P. Un, T.G. Zhang, G.K. Wong, D.A. Nuemayer,

T.J. Marks, Appl. Phys. Lett. 62 (1993) p. 1314.[23] D.M. Gill, B.A. Block, CW. Conrad, B.W. Wessels, S.T. Ho, Appl. Phys. Lett. 69 (1996)

p. 2968.[24] Euu-Kyoung Kim and Sook-II Kwun, J. Korean Phys. Soc. 34 (1999) p. 397.[25] D.B. Chrisey and G.K. Hubler, Pulsed Laser Deposition of Thin Films, John Wiley & Son

(1994).[26] J.T. Cheung and H. Sankur, CRC Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 15 (1988) p. 63.[27] JA Greer and H.J. Van Hook, MRS Symp. 169 (1990) p. 463.[28] G. Koren, A Gupta, RJ. Baseman, M.1. Lutwyche, and RB. Laibowitz, Appl. Phys. Lett.

55 (1989) p. 2450.[29] R K. Singh, D. Bhattacharya, and J. Narayan, Appl. Phys. Lett. 57 (1990) p. 2022.[30] R K. Singh, D. Bhattacharya, and J. Narayan, MRS 201 (1991) p. 322.[31] S. Otsubo, T. Minamikawa, Y. Yonezawa, A Morimoto, and T. Shimizu, Jpn. J. Appl.

Phys. 29 (1990) L73.[32] Peter K. Schenk, Mark D. Vaudin, David W. Bonell, John W. Hastie, and Albert J. Paul,

Appl. Surf. Sci. 127-129 (1998) p.656.[33] S. Mustofa, T. Araki, T. Furusawa, M. Nishida, and T. Hino, Mat. Sci. and Eng. B103

(2003)p.128-134.[34] Salim Mustofa, The Development of BaTi03, SrTi03 and BaxSrl_xTi03 dielectric layer for

MLCC using PLD combination with Combinatorial Chemistry System (CCS) , ThesisDoctor, Ehime University, 2004

[35] Set yo Purwanto, Salim Mustofa dan Yunasfi, Rekayasa Penumbuhan Karbon NanoStruktur Dengan Teknik Iradiasi Untuk Sensor Kesehatan, Laporan Kemajuan BlockGrant Diknas 2009-2010, P.U. Dr. Set yo Purwanto, BKAN-PTBIN, BATAN.

[36] Salim Mustofa dll, Laporan Triwulan II Periode 2008, Kelompok Sensor Nano Komposit,BKAN-PTBIN, BATAN.

[37] Salim Mustofa dan Yunasfi, Pembuatan Karbon Berstruktur Nano dengan Metode HighEnergy Milling, Jurnal Sains Materi Indonesia, Vol. 10, No.3, Juni 2009, pp. 288-291(2009).

[38] Salim Mustofa etc, Presentasi IImiah Seminar Nasional Bidang Metalurgi Jepang, 2002.[39] Salim Mustofa dll, Laporan Triwulan I Peri ode 2009, Kelompok Sensor Nano Komposit,

BKAN-PTBIN, BATAN.[40] Wisnu A.A., Presentasi IImiah Fungsional Peneliti Madya, PTBIN-BATAN, 2009

445

rekayasa bahan partikel nano karbon untuk aplikasi piranti energi

Documents