Electron Transport in Carbon Nanotube

Tidak seperti pada material lainnya, proses carrier transport di CNT mempunyai mekanisme yang tidak bisa dijelaskan dengan teori fisika klasik. Hal ini disebabkan karakteristik dari carbon nanotube itu sendiri yang termasuk ke dalam nanostructured material, yang berukuran dalam skala nanometer, sehingga fenomena dari quantum effect menjadi semakin jelas dan nyata.

Wave-Particle Duality
Untuk menjelaskan tentang fenomena carrier transport di CNT, kita dapat memulai dari dasar teori quantum mengenai Wave-Particle Duality. Konsep ini menerangkan bahwa semua objek di alam semesta mempunyai sifat dualitas antara gelombang dan partikel. Seperti telah diketahui sebelumnya, bahwa gelombang dan partikel mempunyai sifat-sifat yang berbeda satu sama lain, diantaranya sebagai berikut :

- Gelombang : dapat berinteferensi, berdifraksi dan membentuk standing wave

- Partikel : mempunyai momentum dan energy, serta posisi yang pasti (exact location)

Sebagai contohnya adalah cahaya. Pada akhir abad ke-19, cahaya dipercaya sebagai gelombang, berdasarkan percobaan celah ganda Thomas Young dan percobaan difraksi Fraunhofer.


Namun, pada permulaan abad ke-20, Albert Einstein membuktikan bahwa cahaya mempunyai sifat partikel melalui percobaan efek fotoelectric, dimana dengan menyinari metal dengan cahaya, membuat terjadinya arus dalam rangkaian. Fenomena ini dapat dijelaskan dengan menganggap cahaya sebagai partikel yang mendorong electron keluar dari orbitnya dan mengalir sebagai arus. Tidak semua jenis cahaya dapat membuat terjadinya arus, tergantung kepada energinya yang berkaitan dengan frekuensi cahaya tersebut, yang dirumuskan E = h f.

Dengan percobaan-percobaan tersebut para ilmuwan menyimpulkan bahwa cahaya memiliki semacam dualitas sifat antara gelombang dan cahaya, sehingga pada tahun 1924 De Broglie mengaitkan panjang gelombang (sifat gelombang) dengan momentum (sifat partikel) untuk semua benda di alam semesta dalam rumus : h = λ p.

Electron, sebagai material fundamental di alam semesta juga tidak lepas dari dualitas ini, dimana electron juga mempunyai sifat gelombang di satu waktu dan sifat particle di waktu lain. Sebagai gelombang, electron mempunyai panjang gelombang dan frekuensi yang bergantung pada energinya. Karena energy electron merupakan energy kinetic, maka panjang gelombang electron tergantung pada seberapa cepat electron bergerak. Semakin besar energy electron maka panjang gelombangnya akan semakin pendek. Gelombang electron dapat berdifraksi dan berinteferensi satu sama lain seperti pada cahaya, seperti ditunjukkan oleh gambar di bawah ini :

Wave Aspect of Electrons
A false-color computer image shows the diffraction pattern generated by electrons that have been scattered by passing through an alloy of titanium and nickel. The pattern reveals two characteristic properties of waves, diffraction and interference, showing that electrons can behave like waves as well as like particles.Science Source/Photo Researchers, Inc.

Karena dualitas dari sifat electron, maka kita tidak dapat menentukan lokasi pasti electron di sebuah atom. Jika electron hanya merupakan particle, maka menentukan lokasinya akan menjadi hal yang mudah, namun begitu kita mencoba mengukur lokasi electron, sifat gelombang dari electron menjadi semakin nyata dan terlihat, mengakibatkan posisi pasti dari electron tidak dapat ditentukan. Akibatnya kita hanya dapat menghitung probabilitas kemunculan elektron di suatu tempat yang dilambangkan dengan awan probabilitas di sekitar inti atom, Bagian terpadat dari awan ini menunjukkan tempat dimana probabilitas electron ditemukan paling besar.

Ketidakpastian ini membawa kita pada Heisenberg’s Uncertainty Principle yang menyatakan bahwa semakin kita mengukur lokasi sebuah partikel dengan teliti, maka momentum dari partikel tersebut menjadi semakin kabur dan tidak pasti, dan berlaku sebaliknya yang dinyatakan dalam rumus : ∆x ∆p ≥ ħ/2.

Nanostructured Material

Seperti telah disebutkan sebelumnya, bahwa carbon nanotube termasuk nanostructured material. Nanostructured material adalah material-material buatan manusia yang berskala nano, termasuk di dalamnya adalah quantum dots, nanowire dan carbon nanotube itu sendiri.

Quantum dot adalah material berukuran nanometer yang mengurung electron secara 3-dimensi, baik arah x, y dan z. Hal ini dimungkinkan karena diameter dari quantum dot tersebut sebanding dengan panjang gelombang dari electron. Bahkan, disebut-sebut bahwa quantum dot ini merupakan atom buatan (artificial atom).

Nanowire adalah material berukuran nanometer yang dapat mengurung electron secara 2-dimensi dan bebas bergerak di dimensi yang ketiga. Berikut merupakan contoh dari nanowire :


Carbon nanotube dapat didefinisikan sebagai nanowire berongga dengan ketebalan dindingnya yang dapat diabaikan membentuk sebuah tabung dalam skala nanometer. Sama halnya seperti pada nanowire, electron yang berada pada nanotube ini akan hanya bergerak dalam satu dimensi, yaitu ke depan atau belakang.

Electrons in Nanostructured Material

Seperti telah disebutkan sebelumnya bahwa electron dapat berperilaku seperti gelombang dan seperti partikel. Momentum dari elektron sebagai partikel dapat dinyatakan sebagai p = m v dan momentumnya sebagai gelombang dapat dinyatakan sebagai p =h / λ, dimana energi kinetiknya bergantung pada panjang gelombang dan momentum.

Elektron sebagai partikel dapat dijelaskan sebagai paket-paket gelombang (sebagai contoh : gelombang sinusoidal) yang masing-masing memiliki panjang gelombang yang sedikit berbeda. Berikut contoh dari 10 paket gelombang dari sebuah elektron yang memiliki fungsi wavefunction sebagai hasil penjumlahan paket-paket gelombangnya.

Setiap paket gelombang dapat dianalogikan sebagai tali yang digetarkan, dimana jika kita pegang kedua ujung tali kemudian kita getarkan maka akan terbentuk suatu standing wave yang berada di antara dua simpul yang kita pegang tersebut.

Semakin pendek simpul yang dipegang atau semakin banyak simpul yang ada, maka energi yang dibutuhkan untuk menggetarkan tali tersebut semakin besar. Wavefunction dari elektron sama seperti tali yang digetarkan tersebut dimana jika dekatkan kedua simpul secara bersamaan maka energi elektron tersebut akan semakin besar. Jika kita meletakkan sebuah elektron di dalam sebuah kotak, maka dinding kotak tersebut akan menjadi simpul yang membatasi elektron, dimana semakin kecil kotak tersebut maka energi dari elektron akan semakin besar. Hal ini yang disebut dengan electron confinement seperti yang terjadi pada nanostructured material.

Electron confinement pada material akan mengubah sifat-sifat material secara fundamental, sebagai contoh pada karakteristik optiknya. Seperti kita ketahui di atas bahwa semakin kecil diameter dari quantum dot maka energi elektron tersebut akan semakin besar, yang berarti ketika elektron tersebut jatuh dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah dan memancarkan photon, maka energi photon tersebut juga semakin besar, yang berarti panjang gelombangnya semakin pendek (blue shifted).

Electrons in Carbon Nanotube

Seperti telah dijelaskan di atas, bahwa carbon nanotube termasuk kedalam nanostructured material yang lebih spesifik lagi dapat dikategorikan sebagai nanowire. Karakteristik khusus dari nanowire adalah 1-D system, dimana elektron hanya bergerak dalam satu dimensi saja, ke depan atau belakang. Namun, konduktivitas dari nanowire ini biasanya rendah (lebih rendah dari bulk material biasa) yang disebabkan oleh adanya edge effect sebagai akibat adanya atom-atom yang tidak terikat secara sempurna atau bahkan tidak terikat sama sekali (unbonded atom) di permukaan nanowire. Pada carbon nanotube, yang atom-atomnya terikat secara sempurna, tidak ditemukan fenomena edge effect ini, akibatnya konduktivitas dari carbon nanotube tergolong tinggi (selain faktor ballistic transport tentunya).

Pada prinsipnya, mekanisme transport elektron di carbon nanotube sama seperti di nanowire lainnya, yaitu melalui channel yang terbentuk dari quantisasi tingkat energi elektron yang melalui nanowire tersebut. Hal ini disebabkan ketika terjadi electron wavefunction confinement pada suatu material, maka akan terjadi quantisasi tingkat energi dari elektron, yang berakibat pada discontinuity pada density of states dari elektron. Transport elektron di nanotube terjadi akibat tunneling melalui channel yang terbentuk akibat perbedaan density of states ini. Ini berarti elektron tidak terlokalisasi di titik tertentu melainkan tersebar secara merata di sepanjang tabung. Umumnya, defect pada suatu material akan menyebabkan timbulnya lokalisasi elektron, namun pada nanotube hal ini tidak terjadi karena peristiwa tunneling di atas. Peristiwa ballistic transport itu sendiri terjadi ketika wavefunction dari elektron menjadi seragam dan setiap elektron memiliki wavenumber yang sama. Karena dalam nanotube ini terjadi confinement wavefunction electron maka peristiwa ballistic transport ini dapat terjadi sepanjang tabung.

Conclusions

— - All objects have both wave and particle nature

— -All physical properties of nanoscale structures, including the transport and heat exchange mechanisms, differ dramatically from the properties of bulk materials because quantum effects become significant

— -The charge transport at the nanoscale is characterized by distinct features that are due to the manifestation of the coherent, wave-like behavior of charged particles (wave-particle duality)

— - In nanotube, electrons are confined in two dimension and propagate freely only in one direction, forward and backward

— -The ballistic transport is happened because the wavefunction of the electrons through the nanotube are coherent and have the same wavenumber

References

— http://www.wikipedia.org

— Encarta Encyclopedia, © Microsoft Corporation, All Rights Reserved

— Hersam, M. C. (2005). Introduction to Nanometer Scale Science and Technology.

— Klimeck, G. (2006). Quantum Dots.

— Sands, T. (2005). Nanomaterials : Quantum Dots, Nanowires and Nanotube.

— Jr, C. P., & Owens, F. J. (2004). Introduction to Nanotechnology.

— Anantram, M. P., & Leonard, F. (2006). Physics of Carbon Nanotube Electronic Devices.

Carey, D. (2004). Nanoelectronics and Devices.

Electronic Properties of CNT

Seperti halnya material divais lainnya, Carbon Nanotube juga mempunyai karakteristik yang khas dibandingkan dengan bahan-bahan seperti Silicon, GaAs, dll. Karakteristik dari CNT yang banyak menarik perhatian adalah electrical propertiesnya dimana secara umum struktur CNT ini mempunyai sifat-sifat yang tidak dipunyai oleh material lain.

Electronic properties dari CNT yang paling umum adalah sifat bahan CNT itu sendiri yang dapat menjadi metallic atau semikonduktor tergantung dari chiralitynya. Seperti yang telah kita ketahui bahwa pembentukan tabung dari CNT dapat dibayangkan seperti menggulung lapisan graphene menurut arah tertentu. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa pada lembaran graphene terbentuk dari vektor basis a₁ = a (√3 , 0) dan a₂ = a (√3/2 , 3/2) dengan a merupakan jarak antar atom carbon sebesar 0.142 nm. A dan B adalah dua atom dalam satu unit cell graphene. Vektor arah penggulungan lembaran graphene dinyatakan dengan C = na₁ + ma₂, dimana diameter dari CNT dapat ditentukan sebesar R = C/2∏. Pada saat vektor C terletak sama dengan salah satu vektor basis dari graphene, maka terbentuk apa yang disebut sebagai ”zig-zag” carbon nanotube (n,0). Kemudian, apabila vektor C terletak tepat pada pertengahan antara kedua vektor basis, maka terbentuklah ”armchair” carbon nanotube (n,n). Selain kedua tipe spesial di atas, maka carbon nanotube yang terbentuk mempunyai chirality tertentu yang dinyatakan dengan (n,m).

Karakteristik electrical dari CNT dapat ditinjau dari electron configuration-nya, seperti dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Pada atom carbon biasa (electron valensi 6), susunan dari elektronnya adalah 1s² 2s² 2p² , sedangkan pada carbon nanotube, susunan dari elektronya adalah 1s² 2sp² 2p. Seperti ditunjukkan pada gambar, bahwa 3 elektron yang berada pada sub-kulit s dan p membentuk ikatan dengan 3 buah elektron dari atom carbon yang terdekat, membentuk jaringan heksagonal sepanjang lembaran graphene. Sedangkan satu elektron bebas yang berada pada sub-kulit p membentuk ∏ orbital yang tegak lurus dengan lembaran graphene, yang pada akhirnya juga tegak lurus terhadap permukaan CNT. Jaringan ∏ orbital inilah yang akan menentukan electrical properties dari carbon nanotube.

Bandstructure dari graphene yang terdiri dari hanya jaringan ∏ elektron ini dapat digambarkan sebagai berikut :

Bandstructure di atas di-plot sebagai fungsi dari k_x dan k_y dimana k ini adalah vektor pergerakan elektron sepanjang solid-material. Pita konduksi dan pita valensi dari graphene ini bertemu di enam titik [±4∏/3√3a , 0) ; (±2∏/3√3a , 2∏/3a)] di sudut dari Brillouin Zone. Graphene itu sendiri merupakan material semi-metal sehingga tingkat energi Ferminya hanya terdiri dari titik-titik.

Untuk mendapatkan electrical properties dari CNT, dapat dimulai dari graphene bandstructure dan mendefinisikan vektor gelombangnya menjadi :

k . C = k_xC_x + k_yC_y = 2∏p

dengan C merupakan vektor arah seperti telah dijelaskan di atas, dan p merupakan integer. Persamaan di atas mendefinisikan garis yang melintas di bidang (k_x,k_y). Nilai dari Cx, Cy dan p menentukan dimana letak perpotongan antara garis tersebut dengan bandstructure graphene, dimana setiap CNT mempunyai nilai Cx, Cy dan p yang berbeda tergantung dari chiralitynya. Dari letak perpotongan inilah dapat dilihat sifat dari sebuah CNT apakah bersifat metallic atau semiconducting seperti pada gambar di bawah ini :

Bila perpotongan garis k_y memotong Fermi point dari bandstructure grapheme, maka CNT tersebut bersifat metallic, dan bila tidak memotong maka CNT bersifat semiconducting dengan nilai bandgap yang dapat ditentukan dari dua buah garis yang mendekati Fermi point.

Seperti telah disebutkan di atas bahwa CNT bersifat metallic bila terdapat garis ky = (2∏p/Cy) – (Cx/Cy)kx memotong Fermi point dari graphene. Hal ini berakibat pada kondisi |n – m| = 3*I dengan I adalah integer. CNT pada kondisi ini tidak menunjukan sifat semiconducting. Lebih jauh lagi, dapat ditunjukkan bahwa bandgap dari semiconducting nanotubes berbanding terbalik dengan diameter dari CNT seperti ditunjukkan oleh diagram di bawah ini :

Hubungan antara bandgap dengan diameter dapat ditentukan dari dua buah garis yang berada paling dekat dengan Fermi point, yang dapat dirumuskan : Eg = γ α / R dengan R adalah radius dari CNT yang telah disebutkan sebelumnya.

Sebagai contoh, bandgap dari sebuah semi-conducting nanotube yang berdiameter 10Å sebesar 1 eV, sedangkan sebuah semi-metallic nanotube dengan diameter yang sama hanya mempunyai 40 meV.


Referensi :

• Physics of Carbon Nanotube Electronic Devices. Anantram, M.P. and Leonard, F. 2006

• Semiconductor Devices Basic Principles. Prof. Jasprit Singh. 2006

• Nanoelectronics and Devices. Carey, David. 2004

• http://www.wikipedia.org

Diskusi dan Pertanyaan silahkan lewat comment...^___^

Ballistic Transport

Karakteristik utama dari transport elektron di Carbon Nanotube adalah munculnya fenomena ballistic transport. Ballistic transport itu sendiri dapat didefinisikan sebagai transport elektron di suatu material dimana resistivitas yang timbul karena scattering atom, molekul atau impurity dapat diabaikan.

Secara umum, proses mengalirnya elektron di suatu metal atau semikonduktor biasa dapat dijelaskan sebagai berikut :
- dalam material, atom-atom akan tersusun menurut pola tertentu tergantung pada jenis materialnya. Pergerakan elektron di dalam material tersebut akan bergantung pada susunan atom-atom material itu.
- bila ada pergerakan elektron yang cocok dengan pola atom material tersebut, maka elektron akan mengalir secara lebih efisien (ballistic transport)
- pergerakan elektron yang tidak cocok akan mengalir dengan mengalami proses scattering
- pada bahan ini, fenomena ballistic yang terjadi sangat pendek dan tidak signifikan
- keuntungan yang didapat dengan ballistic transport adalah dari segi kecepatan dan panas yang dihasilkan dibandingkan dengan pergerakan elektron biasa.

Dalam skala nano, pergerakan elektron dipengaruhi dua parameter utama, yaitu mean free path dan scattering. Mean free path itu sendiri didefinisikan sebagai jarak elektron bergerak bebas sebelum elektron tersebut mengalami tumbukan atau berubah keadaan dari sebelumnya. Selama elektron bergerak di dalam range mean free pathnya, maka dapat dikatakan bahwa elektron tersebut mengalami ballistic transport. Secara umum mean free path ini dipengaruhi oleh tekanan dan temperatur.

Scattering adalah proses perubahan keadaan suatu pergerakan elektron yang diakibatkan oleh beberapa hal, yaitu phonon scattering (scattering akibat phonon), impurities scattering (scattering akibat adanya impurity dalam material) dan surface roughness scattering (scattering akibat struktur dari crystal material).

Di dalam aplikasi CNT, fenomena ballistic transport ini dimanfaatkan untuk membangun sebuah divais yang memiliki kecepatan lebih tinggi dari divais sejenis. Sebagai contoh adalah pembuatan Field Effect Transistor dengan menggunakan CNT sebagai channel antara Source dan Drain (CNT-FET). Mean free path pada semiconducting CNT yang dipakai berkisar pada orde 500-600 nm, sedangkan dimensi CNT yang dipakai hanya kurang lebih 30 nm. Ini menyebabkan transport elektron yang terjadi adalah ballistic transport sepanjang CNT tersebut sehingga divais yang terbentuk memiliki keunngulan dari segi kecepatan switching (hingga skala THz) dibandingkan FET biasa.

Referensi :

http://www.wikipedia.org
http://www.azonano.com
http://www.semiconductorglosarry.com
Introdution to Nanotelectronics. Prof. Mircea Dragoman. 2006
Semiconductor Device Fundamentals. Robert F. Pierret. 1996





Hal-hal yang masih belum jelas :
1. Fenomena dari scattering itu sendiri (terutama phonon scattering)
2. Apakah ballistic tranport pada CNT hanya bergantung pada dimensinya yang berskala nano (lebih kecil dari mean free path) atau karena memang struktur dari CNT itu sendiri yang menyebabkan terjadinya fenomena ballistic transport di CNT
3. Penurunan rumus untuk mendapatkan resistansi intrinsik dari CNT sebesar 6.5 kOhm

-
-

CARBON NANOTUBE: Sebuah Masa Depan Dalam Teknologi Nano

Didi Surian

Abstrak

Carbon nanotube adalah salah satu struktur carbon yang berbentuk seperti silinder dengan diameter dalam orde nanometer. Salah satu keunikan dalam struktur ini adalah kelebihannya dalam hal kekuatan, sifat keelektrikannya, dan juga sifat dalam penghantaran panas yang baik. Struktur ini memiliki bermacam bentuk turunan yang masing-masing memiliki sifatnya tersendiri. Keistimewaan carbon nanotube membuatnya menjadi harapan baru dalam perkembangan teknologi nano.

Kata kunci : carbon, nano, atom, crystal, lattice

1. PENDAHULUAN

Dalam beberapa tahun belakangan ini suatu teknologi yang dinamakan teknologi nano mulai dilirik oleh para ilmuwan dan diyakini mempunyai prospek cerah yang dapat mengubah pandangan mengenai teknologi pada saat ini. Teknologi nano berhubungan dengan berbagai macam struktur dari suatu bahan dengan dimensi dalam orde kesemilyar meter^[2]. Salah satu topik yang sedang berkembang saat ini adalah mengenai carbon nanotube.

Carbon nanotube ditemukan oleh Sumio Iijima di NEC Fundamental Research Laboratory di Tsukuba, Jepang. Penemuan ini dilatari ketidaksengajaan Sumio Iijima yang sedang memperhatikan lapisan jelaga. Dalam risetnya, ditemukan struktur yang aneh yaitu struktur yang menyerupai jarum kecil yang memanjang yang terbentuk dari carbon, teratur dan simetris seperti kristal dan sangat tipis. Struktur ini yang kemudian diberi nama nanotube.

Penemuan Sumio Iijima ini bukanlah yang pertama, sebelumnya riset dan studi mengenai carbon nanotube telah berkembang. Sejumlah penemuan telah dilakukan. Radushkevich dan Lukyanovich pada tahun 1952. Penemuan ini diterbitkan dalam bahasa Rusia di Journal of Physical Chemistry. Pada tahun 1976 Oberlin, Endo, dan Koyama telah menunjukkan hollow carbon fibres yang juga memiliki diameter berskala nanometer. Struktur yang ditemukan ini dinamakan single walled nanotube yang merupakan salah satu bentuk struktur dari nanotube. Tahun 1987 Howard G. Tennent telah memproduksi cylindrical discrete carbon fibrils dengan diameter berukuran diantara 3.5 hingga 70 nanometer dan memiliki panjang 10² kali dari diameter.

Studi lebih lanjut memperlihatkan bahwa carbon nanotube merupakan turunan dari struktur carbon. Carbon nanotube dapat dideskripsikan sebagai lembaran grafit setebal 1 atom yang digulung menyerupai silinder dan memiliki diameter dengan orde nanometer^[4]. Lembaran ini memiliki struktur seperti sarang lebah (honeycomb) yang terdiri dari ikatan-ikatan atom carbon^[3]. Gambar 1 memperlihatkan struktur carbon nanotube dalam 3 dimensi.

Struktur carbon nanotube yang unik memungkinkannya memiliki sifat kenyal, daya regang, dan stabil dibandingkan struktur carbon lainnya. Kelebihannya ini dapat dimanfaatkan dalam pengembangan struktur bangunan yang kuat, struktur kendaraan yang aman, dan lainnya. Hal ini dikarenakan carbon nanotube memiliki ikatan sp³ menyerupai struktur di grafit. Ikatan ini lebih kuat dibandingkan dengan struktur ikatan sp² yang dimiliki oleh intan. Dengan demikian secara alami carbon nanotube akan membentuk ikatan yang sangat kuat.

Gambar 1. Struktur Carbon Nanotube Dalam 3 Dimensi^[4]

2. STRUKTUR CARBON NANOTUBE

2.1 Single Walled Nanotubes (SWNT)

Struktur ini memiliki diameter kurang lebih 1 nanometer dan memiliki panjang hingga ribuan kali dari diameternya. Struktur SWNT dapat dideskripsikan menyerupai sebuah lembaran panjang struktur grafit (disebut graphene) yang tergulung. Umumnya SWNT terdiri dari dua bagian dengan properti fisik dan kimia yang berbeda. Bagian pertama adalah bagian sisi dan bagian kedua adalah bagian kepala. SWNT memiliki beberapa bentuk struktur berbeda yang dapat dilihat bilamana struktur tube dibuka. Beberapa struktur dapat dilihat pada gambar 2.

(a)

(b)

(c)

Gambar 2. Beberapa Bentuk Struktur SWNT (a) Struktur Armchair (b) Struktur Zigzag (c) Struktur Chiral^[7]

Struktur ini dapat dijabarkan seperti pada gambar 3.

Gambar 3. Struktur SWNT Secara Vektor (1)^[4]

Pada gambar 3 terlihat cara lembaran grafit (graphene) dilipat dapat dijabarkan oleh chiral vector C_h yang direpresentasikan oleh pasangan (n,m). n dan m menunjukkan jumlah unit vektor di antara 2 vektor di dalam crystal lattice dari graphene. Jika m=0 maka struktur nanotube dinamakan struktur zigzag. Jika n=m maka struktur nanotube dinamakan struktur armchair. Selebihnya dinamakan struktur chiral. Perbedaan dalam chiral vector akan menyebabkan perbedaan sifat struktur, misalnya sifat struktur terhadap cahaya, kekuatan mekanik, dan konduktivitas elektrik.

SWNT memiliki sifat keelektrikan yang tidak dimiliki oleh struktur MWNT. Hal ini memungkinkan pengembangan struktur SWNT menjadi nanowire karena SWNT dapat menjadi konduktor yang baik. Selain itu SWNT telah dikembangkan sebagai pengganti dari field effect transistors (FET) dalam skala nano. Hal ini karena sifat SWNT yang dapat bersifat sebagai n-FET juga p-FET ketika bereaksi terhadap oksigen. Karena dapat memiliki sifat sebagai n-FET dan p-FET maka SWNT dapat difungsikan sebagi logic gate.

2.2 Multi Walled Nanotubes (MWNT)

MWNT dibentuk dari beberapa lapisan struktur grafit yang digulung membentuk silinder. Atau dapat juga dikatakan MWNT tersusun oleh beberapa SWNT dengan berbeda diameter. MWNT jelas memiliki sifat yang berbeda dengan SWNT. Struktur ini dapat dilihat pada gambar 4.

Gambar 4. Struktur MWNT^[2]

Pada MWNT yang hanya memiliki 2 lapis dinding (Double-Walled Carbon Nanotubes-DWNT) memiliki sifat yang penting karena memiliki sifat yang menyerupai SWNT dengan chemical resistance yang lebih baik. Hal ini dikarenakan pada SWNT hanya memiliki 1 lapis dinding sehingga bilamana terdapat ikatan C=C yang rusak maka akan menghasilkan lubang di SWNT dan hal ini akan mengubah sifat mekanik dan elektrik dari ikatan SWNT tersebut. Sedangkan pada DWNT masih terdapat 1 lapisan lagi di dalam yang akan mempertahankan sifatnya. Beberapa bentuk dari MWNT dapat dilihat pada gambar 5.

(a)

(b)

Gambar 5. Struktur Yang Berbeda Dari MWNT (a) MWNT yang terpisah 0.34 nm (b) Bentuk cone shaped end caps Yang Simetris Dan Tidak Simetris^[7]

2.3 Torus

Bentuk struktur ini masih berupa teoritis. Bentuk torus adalah bentuk struktur melingkar seperti donut. Struktur ini memiliki beberapa sifat yang menonjol seperti momen magnetik yang lebih besar, stabil dalam suhu, dan sebagainya. Sifat ini akan bervariasi tergantung dari diameter torus dan diameter dari nanotube.

2.4 Peapod

Struktur ini cukup unik karena terdapat molekul C₆₀ yang terbungkus di tengah nanotube.

3. SIFAT-SIFAT CARBON NANOTUBES

3.1 Konduktivitas Listrik dan Panas

Sifat keelektrikan yang dimiliki oleh carbon nanotube ditentukan oleh struktur yang dimilikinya. Struktur ini menyangkut diameter dan bagaimana tube ”digulung” menjadi nanotube. Bilamana mengacu pada gambar 3, maka untuk nanotube (n,m), bila n-m adalah kelipatan dari 3 maka nanotube tersebut bersifat konduktor, dan selain itu bersifat semikonduktor. Sehingga untuk struktur armchair akan selalu bersifat logam (n=m). Nanotube memiliki densitas arus listrik 1000 kali lebih besar daripada logam seperti perak dan tembaga^[4].

Ketika nanotube bersifat sebagai konduktor, nanotube memiliki konduktivitas yang sangat tinggi. Diperkirakan pada saat nanotube bersifat sebagai konduktor maka ia mempunyai konduktivitas listrik sebesar 1 milyar Ampere per 1 cm². Hal ini tidak mungkin terjadi pada bahan tembaga karena akan terjadi panas yang dapat melelehkan tembaga. Pada nanotube tidak akan terjadi panas yang tinggi karena hambatan yang rendah. Nanotube juga memiliki konduktivitas panas yang baik. Hal ini yang kemudian nanotube diberi sebutan ballistic conduction. Nanotube memiliki kemampuan untuk mentransmisikan 6000 W/m/K di suhu ruangan (pada tembaga hanya 385 W/m/K). Selain itu nanotube tetap stabil hingga suhu 2800 ^oC di ruang hampa udara dan sekitar 750 ^oC di udara bebas^[4].

3.2 Kekuatan Mekanik

Nanotube memiliki modulus elastik dan sifat peregangan yang sangat baik. Sifat ini karena ikatan sp² yang dimiliki oleh carbon nanotube ini. Tipe MWNT dapat menangani hingga 63 GPa regangan yang diberikan padanya (pada baja carbon terbaik saat ini hanya mampu menahan peregangan hingga 1.2 GPa). Sedangkan modulus elastik yang dimiliki oleh nanotube dapat mencapai 1 TPa. Saat ini telah diketahui pula nanotube memiliki kekuatan hingga 48462 kN.m/kg (dibandingkan baja carbon terbaik hanya 154 kN.m/kg)^[4].

Gambar 6. Perbandingan Sifat Mekanik Dari Carbon dan Grafit Fiber^[12]

3.3 Sifat Vibrasi

Atom memiliki pola getaran yang kontinue dan periodik^[1]. Pada MWNT, dimana beberapa nanotube saling terpola satu di dalam yang lain, memperlihatkan bahwa pada lapisan yang di dalam akan bergetar sedemikian hingga mendekati pola gerakan yang berputar sempurna tanpa adanya gesekan dengan lapisan di atasnya. Pendekatan ini kemudian dapat dikembangkan menjadi motor dalam skala nanometer. Pergetaran ini sangat ditentukan oleh diameter dari nanotube^[2].

4. PEMBENTUKAN NANOTUBE

Terdapat beberapa cara dalam pembentukan nanotube, namun secara umum yang banyak digunakan adalah metode pelepasan bunga api (arc discharge), CVD (Chemical Vapour Deposition), dan laser ablation.

4.1 Metode Arc Discharge

Metode ini menggunakan 2 buah batang carbon yang diletakkan saling berhadapan pada ujungnya dan dipisahkan sejarak kurang lebih 1 mm. Ruang yang terpisah ini kemudian dialiri gas seperti Helium dan Argon pada tekanan rendah (50-700 mbar). Kemudian arus listrik sebesar 50-100 A dan tegangan 20 volt diberikan sehingga menciptakan perubahan suhu yang tinggi di antara ujung elektroda sehingga akan terjadi penguapan di ujung batang tersebut. Kemudian proses ini akan dilanjutkan dengan pembentukkan lapisan oleh uap dari penguapan batang tersebut pada ujung batang lainnya. Peristiwa ini dapat dilihat pada gambar 7.

Gambar 7. Proses Pembentukan Nanotube Dengan Arc Discharge^[7]

Pada proses ini dapat terbentuk 2 buah struktur yaitu SWNT dan MWNT. Bilamana diinginkan hasilnya SWNT maka pada anoda didoping dengan katalis logam seperti Fe, Co, dan Ni. Kuantitas dan kualitas dari nanotube tergantung dari beberapa parameter seperti konsentrasi logam yang digunakan, tekanan gas, jenis gas, dan berbagai parameter lainnya.

Sedangkan pada MWNT tidak menggunakan doping seperti halnya proses pembentukan SWNT. Namun dalam proses pembentukan MWNT akan terbentuk berbagai bahan lain yang tidak diinginkan. Bila diusahakan benar-benar murni maka akan MWNT yang terbentuk akan kehilangan strukturnya dan dinding struktur yang tidak teratur.

4.2 Metode CVD (Chemical Vapour Deposition)

Metode ini telah ada sejak tahun 1959 namun baru dipakai sejak tahun 1993 untuk proses pembentukan nanotube. Pada proses ini carbon disiapkan dengan lapisan partikel logam katalis, seperti nikel, kobalt, besi, atau kombinasinya dan dikondisikan pada suhu sekitar 700 ^oC. Sementara itu 2 jenis gas, yaitu gas untuk proses seperti ammonia, nitrogen, hydrogen dan sebagainya serta gas yang mengandung carbon seperti acetylene, ethylene, ethanol, methane, dan sebagainya, dialirkan ke dalam proses.

Gambar 8. Reaktor Pembentukan Metode CVD^[4]

4.3 Metode Laser Ablation

Metode ini menggunakan laser untuk menguapkan grafit pada suhu 1200 ^oC. Ruangan tempat berlangsungnya proses ini akan diisi dengan gas helium atau argon dan dijaga tetap pada tekanan 500 Torr. Pada keadaan ini maka akan terbentuk uap yang kemudian dengan cepat akan kembali dingin. Keadaan ini akan menyebabkan terbentuknya atom dan molekul carbon dan akan terbentuk kelompok yang besar. Kelompok-kelompok ini kemudian akan tumbuh menjadi single-wall carbon nanotube. Kondisi yang menggambarkan peristiwa ini digambarkan pada gambar 9.

(a)

(b)

Gambar 9. Metode Laser Ablation^[7][8]

5. APLIKASI CARBON NANOTUBES

Berbagai komponen elektronika telah dikembangkan dengan menggunakan segala kelebihan dari carbon nanotube. Dioda sebagai salah satu komponen dasar elektronika telah diterapkan dengan menggunakan nanotube. Contoh dapat dilihat pada gambar 10. Transistor sebagai rangkaian switching juga telah dapat digantikan oleh nanotube.

Gambar 10. Penerapan Nanotube Sebagai Dioda

Selain itu ultracapacitor^[11],spin transistor^[10], FET inverter^[3], dan berbagai komponen gerbang logika^[6][7] telah dikembangkan oleh para periset.

Sifat konduktivitas yang baik ditunjukan oleh carbon nanotube menjadikannya dapat menggantikan sifat wire sehingga memungkinkan dikembangkan nanocircuit untuk nanocomputer^[6]. Penggunaan carbon nanotube sebagai sensor juga telah dikembangkan^[9].

Gambar 11. Penggunaan Carbon Nanotube Sebagai Sensor^[9]

Carbon nanotube juga telah diimplementasikan dalam sistem nanoelektromekanikal seperti elemen memory (NRAM-dikembangkan oleh Nantero Inc) dan motor elektrik skala nano. Pakaian perang, tangga untuk kapal luar angkasa, hingga kerangka sepeda (Floyd Landis) telah memakai nanotube sebagai bahan dasarnya^[4].

Ali Tinazli adalah salah satu seorang ilmuwan yang tergabung dalam group riset dari Cellular Biochemistry Lab di Johann-Wolfgang-Goethe University of Frankfurt yang mengembangkan sistem lithography dengan menggunakan teknologi nano protein. Sistem nanolithography ini memungkinkan untuk menulis, membaca, dan menghapus data yang dapat berupa dan menggunakan susunan protein. Sistem ini akan memungkinkan pengembangan dalam bidang biosensor. Sistem nanolithography ini dapat dilihat pada gambar 12.

Gambar 12. Native Protein Nanolithography^[5]

6. KESIMPULAN

Teknologi nano adalah bidang teknologi yang masih tergolong baru dan akan terus berkembang. Perkembangan teknologi ini akan mengubah teknologi makro menjadi skala nano. Berbagai komponen dasar telah dikembangkan berdasarkan teknologi nano. Carbon nanotube sebagai salah satu subjek penelitian ternyata membawa masa depan yang cukup cerah karena bahan nano ini dapat diterapkan dalam merepresentasikan berbagai komponen elektronika sekarang ini ke dalam skala nano. Selain itu carbon nanotube juga memiliki kelebihan baik dalam hal kelistrikan maupun dalam hal lainnya. Berbagai teknik telah dikembangkan agar dapat menghasilkan struktur nanotube dengan cost rendah dan kualitas yang menjanjikan.

Tak hanya itu, teknologi nano tidak hanya diarahkan ke bidang elektronik saja, tetapi juga ke arah biomedical. Pengembangan ke arah biomedical terutama dalam mengembangkan biosensor untuk berbagai macam penyakit seperti salah satunya untuk mendeteksi sel kanker.

7. REFERENSI

[1]. J. P. McKelvey, Solid State And Semiconductor Physics, 1986, Robert E. Kriger Publishing Company, Inc, Florida, pp.46

[2]. C. P. Poole Jr., F. J. Ourens, Introduction to Nanotechnology, 2003, New Jersey, pp.1, 116, 123

[3]. M. W. Hadi, H. Sudibyo, The Study of Carbon Nanotube FET Inverter, Sensor Device

Research Group, E.E. Department Engineering Faculty University of Indonesia

[4]. Carbon Nanotube, http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube

[5]. Native protein nanolithography that can write, read and erase, http://www.nanowerk.com/spotlight/

[6]. Carbon and Metals: A Path to Single-Wall Carbon Nanotubes, http://www.almaden.ibm.com/st/nanoscale_science/past/nanotubes/page10_files/DSBColloquium6-21-02.pdf

[7]. Wondrous World of Carbon Nanotubes, http://students.chem.tue.nl/ifp03/Wondrous%

20World%20of%20Carbon%20Nanotubes_Final.pdf

[8]. Nanotubes for Electronics, http://www.cnanotech.com/download_files/

NTs_SciAm_2000.pdf

[9]. Carbon nanotube array-based biosensor, http://lib.store.yahoo.net/

lib/nanolab2000/biosensor.pdf

[10]. Nanospintronics with carbon nanotubes, http://www.iop.org/EJ/article/0268-1242/21/11/S11/sst6_11_s11.pdf

[11]. Carbon Nanotube Enhanced Ultracapacitor,http://lees-web.mit.edu/

lees/posters/RU13_signorelli.pdf

[12]. Carbon Fibers and Carbon Nanotubes, http://web.mit.edu/tinytech/Nanostructures/

Spring2003/MDresselhaus/i789.pdf