tugas3

Stephanie Tarumingkeng20214020

Tugas 3

FISIKA MATERIAL DAN DIVAIS NANO

Oleh:

Stephanie Tarumingkeng

20214020

Dosen:

Prof. Dr.Eng. Khairurrijal

SEKOLAH PASCA SARJANA

MAGISTER FISIKA

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2015


INTRODUCTION OF NANOSTRUCTURES AND NANOMATERIALS

Nanoteknologi berhubungan dengan material berstruktur/berukuran kecil yang

memiliki dimensi sekitar satu sampai beberapa ratus nanometer. Satu nanometer (nm) sama

dengan seper satu miliar meter atau 10-9 m. Material berukuran mikrometer sebagian besar

menunjukkan sifat fisis yang sama dengan material berukuran besar (Bulk). Sedangkan

material berukuran nanometer dapat menunjukkan sifat fisis yang berbeda dengan material

berukuran besar (Bulk), karena pada skala nanometer terjadi transisi dari ukuran atom atau

melekul menjadi ukuran yang lebih besar seperti bulk. Beberapa contoh perubahan sifat fisis

material diantaranya adalah jika ukuran materialnya menjadi nanometer maka mengakibatkan

menurunnya titik leleh material berbentuk kristal; hilangnya sifat listrik dan magnetnya

material ferromagnetik atau ferroelektrik; semikonduktor berbentuk bulk berubah menjadi

isolator.

Pada umumnya, nanoteknologi merupakan teknologi perancangan, fabrikasi atau

produksi, dan penerapan struktur dan material nano. Nanoteknologi juga mencakup

pemahaman mendasar tentang sifat fisis dan fenomena dari struktur dan material nano. Studi

mendasar tentang hubungan antara sifat fisis dan fenomena serta dimensi material dalam

skala nanometer, disebut sebagai nanosains. Di USA, nanoteknologi didefinisikan sebagai

sesuatu yang berhubungan dengan material dan sistem dimana struktur atau komponennya

menunjukkan peningkatan sifat fisis, kimia, atau biologis secara signifikan dan benar-benar

baru, yang tidak lain diakibatkan karena ukurannya yang berskala nano.

Agar dapat mengkaji sifat fisis, fenomena dan menerapkan struktur atau material nano

pada berbagai keperluan, diperlukan kemampuan yang baik dalam memproduksi dan

mengolah material nano. Material berstruktur nano mencakup material yang salah satu

dimensinya berukuran nanometer, misalkan nanopartikel, nanorods, nanowires, film tipis,

atau bulk yang salah satu dimensinya berukuran nano. Teknik yang saat ini telah digunakan

untuk memproduksi material berstruktur nano dikelompokkan berdasarkan media

penumbuhannya, yaitu:

1. Penumbuhan dengan fase uap, contohnya reaksi pirolisis menggunakan laser untuk sintesis

nanopartikel dan atomic layer deposition (ALD) untuk deposisi film tipis,

2. Penumbuhan dengan fase cair, contohnya proses koloid untuk pembentukan nano partikel

dan self-assembly lapisan tipis,


3. Pembentukan melalui fase padat, contohnya pemisahan fase untuk membuat partikel

logam dalam matriks kaca atau polimerisasi dengan induksi foton untuk memproduksi

kristal fotonik tiga dimansi,

4. Penumbuhan gabungan, contohnya penumbuhan dengan fase uap-cair-padat (vapor-

liquid-solid growth) untuk memproduksi nanowires.

Adapun teknik lain yang digunakan untuk memproduksi material berstruktur nano

dapat pula dikelompokkan berdasarkan jenis struktur material nano yang dihasilkannya,

yaitu:

1. Nano partikel, yang dihasilkan melalui proses pembuatan koloid, flame combustion, dan

pemisahan fase,

2. Nanorods atau nanowires, yang dihasilkan melalui proses template-based electroplating,

penumbuhan dengan teknik solution-liquid-solid (SLS), dan penumbuhan dengan teknik

anisotropis spontan,

3. Film tipis, yang dihasilkan melalui teknik Molecular Beam Epitaxy (MBE) dan Atomic

Layer Deposition (ALD),

4. Bulk berstruktur nano, yang dihasilkan melalui teknik self-assembly.

Terdapat pula teknik lain untuk membuat material berstruktur nano, diantaranya dengan

pendekatan bottom-up dan top-down, proses spontan atau paksa.

Dalam literatur nanoteknologi, terdapat dua pendekatan yang digunakan untuk sintesis

material nano dan fabrikasi struktur nano: bottom-up dan top-down. Milling adalah metode

top-down yang biasanya digunakan untuk sintesis material nano, sedangkan dispersi koloid

merupakan contoh dari pendekatan bottom-up dalam sintesis material nano. Kedua

pendekatan memainkan peran yang sangat penting dalam industri modern dan nanoteknologi.

Pada pendekatan top-down terdapat masalah besar yang terletak pada ketidaksempurnaan

struktur permukaan. Ketidaksempurnaan tersebut akan memiliki dampak yang signifikan

pada sifat fisis dan surface chemistry dari struktur dan material nano serta menyebabkan

berkurangnya konduktivitas. Sedangkan pada pendekatan bottom-up menjanjikan kesempatan

yang lebih baik untuk mendapatkan struktur nano dengan cacat lebih kecil, komposisi kimia

lebih homogen, dan susunan jarak pendek dan panjang yang lebih baik. Hal ini karena

pendekatan bottom-up terjadi pengurangan energi bebas Gibbs, sehingga struktur dan

material nano diproduksi dalam keadaan lebih dekat dengan kesetimbangan termodinamika.

Sebaliknya, pendekatan top-down kemungkinan besar memperkenalkan tegangan internal,

selain permukaan cacat dan kontaminasi.


Nanoteknologi terlihat baru, tetapi sebetulnya penelitian tentang material berstruktur

nanometer sudah dilakukan sejak lama. Sebagai contoh, Cina diketahui menggunakan

nanopartikel Emas (Au) sebagai pewarna anorganik untuk memperkenalkan warna merah

dalam porselen atau keramik mereka lebih dari seribu tahun yang lalu. Contoh lainnya yaitu

penggunaan koloid emas pada bidang kedokteran untuk mendiagnosa beberapa penyakit.

Manusia sudah dapat menggunakan dan mengenal material berstruktur nano selama bertahun-

tahun yang lalu. Perkembangan nanoteknologi saat ini adalah kemampuan untuk

memanipulasi atau mengubah sistem dalam skala nano.

Perkembangan nanoteknologi saat ini yaitu dengan pembuatan divais berukuran nano.

Hal ini sesuai dengan prediksi “Hukum Moore” Pada tahun 1965, yang menyatakan bahwa

ukuran transistor akan semakin kecil seiring bertambahnya tahun. Ukuran transistor

diprediksi akan mencapai 1-5 nm pada tahun 2020, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Grafik Hukum Moore mengenai Ukuran Transistor vs Pertambahan Tahun

Akan tetapi, kenyataannya pada saat ini ukuran transistor telah mencapai ukuran nano.

Namun, kekurangan masih ditemukan pada divais berukuran sangat kecil. Contohnya adalah

pada MOFET (Metal-oxide Semiconductor Field-effect Transistor), the off-current transistor

ini (arus yang tetap mengalir walaupun transistor dimatikan) membesar seiring dengan

berkurangnya ukuran transistor. Selain itu, kekurangan dari divais berukuran nano yaitu daya

yang terbuang dan panas berlebih.

Para peneliti sangat terdorong untuk membuat divais lain yg berukuran nano setelah

transistor dalam ukuran nano berhasil diproduksi. Salah satu contoh divais lainnya adalah

nano robot atau disebut pula nanobot. Nanobot ini dikembangkan untuk keperluan dalam


bidang kedokteran sebagai alat terapi dan diagnostik. Nanobot ini diharapkan dapat

digunakan sebagai detektor atau agen untuk mendeteksi kerusakan pada sel akibat adanya

penyakit, bahkan memperbaiki kerusakan sel tersebut.

Perkembangan nanoteknologi setidaknya dipengaruhi pula oleh kemajuan teknologi

pencitraan material berstruktur nano. Penemuan Scanning Tunneling Microscopy (STM),

Scanning Electron Microcsopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM), dan Transmission

Electron Microscopy (TEM) telah membuka peluang untuk mempelajari dan memanipulasi

material hingga berstruktur nano dengan sangat detail hingga ke tingkat atom.

3.2.5. SINTESIS NANOPARTIKEL OKSIDA

Reaksi dan pertumbuhan dalam pembentukan nanopartikel oksida lebih sulit untuk

dimanipulasi, karena oksida umumnya lebih stabil secara termal dan kimia daripada

kebanyakan semikonduktor dan logam. Misalnya, Ostwald ripening diterapkan dalam sintesis

oksida nanopartikel untuk mengurangi distribusi ukuran; hasilnya kurang efektif

dibandingkan bahan lainnya. Yang paling bagus dan banyak dipelajari dari berbagai contoh

oksida koloid adalah silika koloid. Umumnya partikel oksida dalam dispersi koloid disintesis

oleh pengolahan sol-gel. Pengolahan sol-gel juga biasa digunakan dalam pembuatan berbagai

struktur nano core-shell dan teknik permukaan.

3.2.5.1. Pengantar pengolahan sol-gel

Pengolahan sol-gel adalah rute kimia basah untuk sintesis koloid dispersi dari bahan

hibrida anorganik dan organik-anorganik, terutama oksida dan hibrida berbasis oksida. Dari

dispersi koloid tersebut, bubuk, serat, film tipis dan monolit dapat segera disiapkan.

Pengolahan sol-gel menawarkan banyak keuntungan, termasuk suhu pengolahan rendah dan

tingkat homogenitas molekul. Pengolahan sol-gel sangat berguna dalam membuat oksida

logam kompleks, suhu sensitif hybrid material organik-anorganik dan material

termodinamika yang tidak menguntungkan atau metastabil. Pengolahan sol-gel biasanya

terdiri dari hidrolisis dan kondensasi dari prekursor. Prekursor dapat juga alkoksida dengan

logam atau garam-garam anorganik dan organik. Organik atau pelarut cair dapat digunakan

untuk melarutkan prekursor, dan sering ditambahkan katalis untuk mendorong reaksi

hidrolisis dan kondensasi:


Reaksi hidrolisis dan kondensasi merupakan proses multi-langkah, terjadi berurutan

dan secara paralel. Hasil kondensasi dalam pembentukan cluster berskala nano dari logam

oksida atau hidroksida, sering disertai kelompok organik yang melekat atau menyertainya.

Kelompok-kelompok organik bisa disebabkan oleh hidrolisis lengkap, atau diperkenalkan

sebagai ligan organik non-terhidrolisis. Ukuran cluster berskala nano, bersama dengan

morfologi dan mikrostruktur produk akhir, dapat disesuaikan dengan mengontrol reaksi

hidrolisis dan kondensasi.

Untuk sintesis dispersi koloid beberapa komponen material, tantangannya adalah

memastikan reaksi hetero-kondensasi antara prekursor pembentuk yang berbeda, yang

biasanya memiliki reaktivitas kimia yang berbeda. Reaktivitas atom logam biasanya

bergantung pada tingkat transfer muatan dan kemampuan untuk meningkatkan jumlah

koordinasinya. Elektronegativitas dari atom logam menurun dan kemampuan untuk

meningkatkan jumlah koordinasinya meningkat jika radius ioniknya meningkat seperti yang

ditunjukkan pada Tabel 1. Dengan demikian reaktivitas kimia dari alkoksida meningkat

seiring bertambahnya jari-jari ionik. Ada beberapa cara untuk memastikan hetero-kondensasi,

dan mencapai campuran homogen dari beberapa komponen pada tingkat molekul/atom.

Pertama, prekursor dapat dimodifikasi dengan melekatkan ligan organik yang

berbeda. Untuk atom logam tertentu atau ion, ligan organik besar atau ligan organik yang

lebih kompleks akan menghasilkan prekursor kurang reaktif. Prekursor kurang reaktif lebih

dulu dihidrolisis sebagian, dan prekursor lebih reaktif dihidrolisis kemudian. Sebagai contoh,

Si (OC2H5) 4 kurang reaktif daripada Si(OCH3)4. Cara lain untuk mengontrol reaktivitas dari

alkoksida adalah mengubah keadaan koordinasi kimia alkoksida dengan chelating sebuah

bahan seperti asetilaseton. Pada kasus yang ekstrim, salah satu prekursor dapat sepenuhnya

dihidrolisis lebih dulu dan menghabiskan air, jika prekursor yang dihidrolisis memiliki

kondensasi yang nilainya sangat rendah, maka prekursor kedua dimasukkan dan dipaksa

untuk kondensasi dengan prekursor yang dihidrolisis oleh reaksi:

M (OEt )4+4 H2 O⇔ M (OH )4+4 HOEt

(1)

(2)

(3)


Tabel 1. Electronegativity, χ , partial charge, δM, radius ionik (r), bilangan koordinasi ( n ) dari beberapa logam tetraven

Reaksi kondensasi hanya terbatas antara hidrolisis prekursor kurang reaktif dengan prekursor

lebih reaktif: M (OH )4+M ' (OEt )4⇔ ( HO )3−MOM ' (OEt )3

Menggabungkan komponen organik menjadi sistem oksida berdasarkan pengolahan

sol-gel memudahkan untuk membentuk hibrida organik-anorganik. Salah satu pendekatan

adalah co-polymerize atau co-condense baik pada prekursor anorganik (s), yang mengarah

pada pembentukan komponen anorganik, dan prekursor organik (s), yang terdiri dari

kelompok-kelompok non-organik terhidrolisis. Hibrida organik-anorganik adalah bahan fase

tunggal, di mana komponen organik dan anorganik dihubungkan melalui ikatan kimia.

Pendekatan lain adalah untuk menjebak komponen organik yang diinginkan secara fisik

dalam anorganik atau jaringan oksida, baik oleh penyebaran hasil homogen komponen

organik di sol, atau infiltrasi molekul organik ke dalam jaringan gel. Pendekatan yang sama

dapat diterapkan untuk penggabungan bio-komponen dalam sistem oksida.

Tantangan lain dalam membuat sol oksida kompleks adalah bahwa konstituen

prekursor mungkin menggunakan efek katalitik satu sama lain. Sebagai hasilnya, laju reaksi

hidrolisis dan kondensasi ketika dua prekursor dicampur bersama-sama dapat secara

signifikan berbeda dari saat prekursor yang diproses secara terpisah. Dalam penyusunan sol,

tidak banyak perhatian diberikan kepada kontrol kristalisasi atau pembentukan struktur

kristal, meskipun pembentukan struktur kristal oksida kompleks tanpa suhu tinggi

pembakaran diinginkan untuk beberapa aplikasi.

Dengan kontrol yang cermat dalam persiapan dan pengolahan sol, nanopartikel

monodispersed dari berbagai oksida, termasuk oksida kompleks, organik-anorganik hibrida,

dan biomaterial, dapat disintesis. Dalam pembentukan oksida nanopartikel monodispersed ,

stabilisasi koloid umumnya dicapai dengan mekanisme elektrostatik double layer. Oleh

karena itu, sterik polimer penghalang difusi yang ada dalam pembentukan logam dan non-

(4)


oksida semikonduktor koloid, umumnya tidak hadir dalam pembentukan oksida logam. Jadi

Pertumbuhan difusi yang terkontrol dicapai melalui mekanisme lain, seperti dengan

pelepasan terkontrol dan konsentrasi rendah dari pertumbuhan spesies dalam sol.

3.2.5.2 Hidrolisis Terpaksa

Metode paling sederhana untuk generasi koloid oksida logam berukuran seragam

yang didasarkan pada hidrolisis paksa larutan logam salt. Untuk menghasilkan logam seperti

koloid oksida, hanya perlu satu yaitu lama larutan logam terhidrolisis pada suhu yang

ditinggikan. Hal itu menjadi jelas bahwa reaksi hidrolisis harus dilanjutkan dengan cepat dan

menghasilkan kejenuhan secara mendadak untuk memastikan ledakan nukleasi,

mengakibatkan pembentukan sejumlah besar inti kecil, akhirnya mengarah pada

pembentukan partikel kecil. Prinsip ini ditunjukkan dalam pekerjaan perintis pada

pembentukan bola silika oleh Stober dan co-worke.

Dalam pembuatan bola silika yang sederhana, berbagai alkoksida silikon dengan

ukuran ligan alkil yang berbeda digunakan sebagai prekursor, amonia digunakan sebagai

katalis, dan berbagai alkohol digunakan sebagai pelarut. Mula-mula, Pelarut alkohol, amonia,

dan air dengan jumlah yang diinginkan dicampur, kemudian prekursor silikon alkoksida

ditambahkan dengan pengadukan kuat. Pembentukan koloid atau perubahan penampilan

optik larutan menjadi terlihat hanya dalam beberapa menit setelah penambahan prekursor.

Partikel silika bulat dengan rata ukuran mulai dari 50 nm ke 2 bm diperoleh bergantung pada

prekursor, pelarut dan jumlah air serta amonia yang digunakan. Gambar 2. menunjukkan

contoh pertama dari bola silika yang dibuat.

Gambar 2. mikrograf SEM bola silika yang dibuat dalam sistem ester etanol-etil.

Ditemukan bahwa laju reaksi dan ukuran partikel yang sangat tergantung pada

pelarut, prekursor, jumlah air dan amonia. Untuk pelarut alkohol yang berbeda, tingkat reaksi

yang tercepat dengan metanol, paling lambat dengan n-butanol. Demikian juga, ukuran


partikel akhir yang diperoleh dalam kondisi berimbang yang terkecil dalam metanol dan

terbesar di n-butanol. Namun, ada kecenderungan ke arah distribusi ukuran lebar dengan

alkohol yang lebih tinggi. Hubungan yang serupa berkaitan dengan laju reaksi dan ukuran

partikel yang ditemukan ketika membandingkan hasil dengan ligan yang berbeda ukuran

dalam prekursor. Ligan kecil mengakibatkan laju reaksi yang lebih cepat dan ukuran partikel

yang lebih kecil, sedangkan ligan lebih besar menyebabkan laju reaksi lebih lambat dan

ukuran partikel besar. Amonia sangat penting ditemukan untuk pembentukan partikel silika

bulat, karena reaksi kondensasi di bawah kondisi dasar menghasilkan struktur tiga dimensi

bukan rantai polimer linear yang terjadi di bawah kondisi asam.

Baik reaksi hidrolisis dan kondensasi, sangat tergantung pada suhu reaksi.

Ditinggikan suhu akan menghasilkan peningkatan drastis laju reaksi. Pembuatan nanopartikel

koloid bola a-Fe2O3 berukuran 100 nm dapat digunakan sebagai contoh lain untuk

menggambarkan prosedur khas hidrolisis dipaksa. Larutan pertama FeCl3 dicampur dengan

HCl, dan diencerkan. Campuran ini kemudian ditambahkan ke dalam H20 bersuhu 95-99 °C

dengan konstan pengadukan. Larutan tersebut disimpan dalam botol bersegel yang

dipanaskan sebelumnya pada suhu 100 °C selama 24 jam sebelum akhirnya didinginkan ke

dalam air dingin. Suhu tinggi cenderung menggunakan reaksi hidrolisis cepat dan hasilnya

dalam kejenuhan yang tinggi, yang pada gilirannya menyebabkan pembentukan sejumlah

besar inti kecil. Pengenceran sebelum pemanasan pada temperatur tinggi sangat penting

untuk memastikan terkontrolmya nukleasi dan pertumbuhan selanjutnya difusi yang terbatas.

3.2.5.3 Pelepasan Terkontrol Ion

Pelepasan terkontrol komponen anion dan/atau kation memiliki pengaruh signifikan

pada kinetika reaksi pembentukan inti dan pertumbuhan selanjutnya oksida nanopartikel,

dicapai dengan pelepasan spontan anion dari molekul organik. Sebagai contoh, diketahui

bahwa larutan urea, CO (NH2)2, ketika dipanaskan membebaskan ion hidroksida, yang dapat

menyebabkan pengendapan oksida logam (hidroksida). Misalnya, dekomposisi urea

digunakan untuk mengontrol proses pembentukan inti dalam sintesis Y203: nanopartikel Eu.

Yttrium & europium klorida dilarutkan dalam air dan pH diatur -1 dengan asam hidroklorida

atau kalium hidroksida. Kelebihan urea, biasanya 15x, dilarutkan ke dalam larutan. Larutan

ini selanjutnya dinaikkan suhunya menjadi > 80 °C selama 2 jam. Urea membusuk secara

perlahan dan ada ledakan pembentukan inti ketika nilai pH ~ 4-5 telah tercapai.


Pembuatan nanopartikel ZnO kristal adalah contoh lain dari pelepasan terkontrol

anion. Zink asetat pertama dilarutkan dalam metanol untuk membentuk larutan Zink

prekursor alkoksida dan kemudian zink prekursor alkoksida dihidrolisis dan dipadatkan untuk

membentuk zink oksida koloid dengan lithium hidroksida sebagai katalis bersama sonikasi

pada 0°C atau suhu kamar. Sonikasi mempercepat pelepasan kelompok OH-, sehingga reaksi

langsung membentuk sol ZnO yang stabil. semua penggunaan NaOH, KOH atau Mg(OH)2

menghasilkan endapan keruh. Nanopartikel ZnO berdiameter -3,5 nm dalam sols segar dan -

5,5 nm selama 5 hari. Aging dari alkohol koloid ZnO dikenal untuk menghasilkan partikel

yang lebih besar. Kelompok asetat diyakini dapat menempel pada permukaan ZnO koloid dan

dengan demikian menstabilkan dispersi koloid.

tugas3

Documents