BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah

BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Masalah
Graphene merupakan susunan atom-atom karbon monolayer dua dimensi
yang membentuk struktur kristal heksagonal menyerupai sarang lebah. Graphene
memiliki sifat unik dan unggul dibandingkan dengan material lain. Graphene
tidak memiliki band gap, mobilitas elektron graphene multilayer sekitar 15000
cm2V-1s-1 pada suhu 300 K dan sekitar 60000 cm2V-1s-1 pada suhu 4 K, sedangkan
untuk graphene fewlayer antara 3000-10000 cm2V-1s-1 (Novoselov dkk., 2004).
Transmisi optik graphene monolayer mencapai 97,7% (Nair dkk., 2009) dan
konduktansi universal sekitar 6,08x10-5 1 pada rentang energi 0,1 eV sampai
0,6 eV (Kuzmenko dkk., 2008). Sifat khusus dari graphene dapat dianalisis
dengan menentukan konduktivitas optik graphene sebagai fungsi energi. Tanpa
adanya gangguan, konduktivitas optik graphene memiliki nilai yang universal
⁄
pada rentang energi inframerah sampai sinar tampak (Nair dkk.,
2009; Neto dkk., 2009; Mak dkk., 2011). Pada rentang energi sinar tampak (1,5 3 eV) graphene bersifat transparan, sedangkan pada daerah ultraviolet terjadi
puncak serapan pada energi 4,62 eV yang disebabkan adanya efek exitonic serta
interaksi saling mempengaruhi antara elektron-elektron dan elektron-hole (Mak
dkk., 2011). Beberapa keunggulan sifat optik, sifat listrik dan sifat mekanik
menyebabkan graphene menarik untuk dipelajari dan memiliki potensi besar
untuk aplikasi pada bidang optoelektronik.
Akhir-akhir ini banyak penelitian mengkaji bagaimana band gap graphene
dapat dibuka dan dikontrol untuk mendapatkan material sesuai dengan aplikasi
pada devices elektronik modern. Fungsionalisasi graphene secara kimia seperti
modifikasi graphene dengan hidrogen (Cheng dkk, 2013; Puttz dkk, 2014),
fluorine (Yuan dkk, 2015), oksigen (Sljivancanin dkk, 2013) dan beberapa elemen
lainnya telah banyak diteliti. Graphene oxide (GO) merupakan material baru
berbasis karbon. GO mengandung beberapa gugus fungsi oksigen yang
menjadikan kandidat baik untuk beberapa aplikasi seperti sensor dan elektroda
1
2
fleksibel transparan konduktif. Namun, penelitian sebelumnya menunjukan bahwa
GO merupakan isolator dengan sifat elektronik yang kurang baik. Sehingga
mengontrol oksidasi GO dengan berbagai bahan kimia maupun termal penting
untuk meningkatkan sifat elektronik dan mekanik.
Beberapa penelitian yang mengkaji aplikasi graphene mengalami beberapa
kendala. Wang dkk. (2011) telah menunjukan bahwa penggunaan pristine
graphene tidak terlalu banyak meningkatkan efisiensi sel surya organik
heterojunction P3HT:PCBM terlepas dari masalah belum optimalnya parameterparameter eksperimen yang mengontrol ketebalan masing-masing lapisan.
Sehingga membutuhkan doping MoO3 atau HCl pada graphene untuk
mendapatkan sheet resistance yang lebih kecil (Wang dkk., 2011). Selain itu,
modifikasi morfologi lapisan dalam bentuk nanofiber dilakukan seperti Madhavan
dkk. (2012) telah melaporkan pembuatan nanofiber TiO2-graphene sebagai anoda
pada DSSC dengan efisiensi sebesar 7,6 %. Cara lain untuk meningkatkan
konduktivitas yaitu dengan mengkombinasi graphene dengan polimer konduktif.
Polimer konduktif merupakan polimer organik yang dapat menghantarkan arus
listrik melalui proses doping serta bersifat semikonduktor dengan pita valensi
yang terisi penuh dan pita konduksi yang kosong. Pita-pita ini dipisahkan oleh
sebuah celah pita (band gap) yang disebut pita terlarang (forbidden gap).
Pemberian doping pada polimer menciptakan pita-pita baru dalam celah energi,
yang memungkinkan bagi elektron bergerak ke pita-pita ini sehingga
meningkatkan konduktivitasnya, dan juga mengakibatkan perubahan sifat optik.
Pemberian doping mengakibatkan celah pita energi menyempit sehingga spektrum
absorpsi pada pita energi bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih panjang
(Ivaska, 2005).
Salah satu polimer konduktif yang sering difungsikan dengan graphene
adalah PEDOT:PSS karena memiliki sifat konduktivitas, transparan, mudah
dibentuk dan stabil (Hong dkk., 2008; Xu dkk., 2009; Park dkk., 2013). Salah satu
parameter penting dalam aplikasi dibidang optoelektronik maupun sensor adalah
sifat optik. Secara spesifik, parameter optik seperti absorpsi optik dan indeks bias
sangat berpengaruh terhadap kinerja suatu devices sensor maupun optoelektronik.
3
Pada penelitian ini, akan dilakukan kajian sifat optik nanofiber reduced
graphene oxide (rGO) yang difungsionalisasikan dengan polimer konduktif
Poly(3,4-ethylenedioxitriophene):Poly (Styrene sulfonate) (PEDOT:PSS). Tahap
awal penelitian adalah sintesis graphene oxide menggunakan metode Hummer.
Metode ini dipilih karena diangggap mudah, murah dan sederhana yaitu dengan
mengoksidasi grafit yang banyak tersedia di alam secara kimiawi. meskipun
produk
yang
rGO/PEDOT:PSS
dihasilkan
hanya
disintesis
sebatas
menggunakan
graphene
metode
oxide.
Nanofiber
electrospinning.
Elektrospinning merupakan metode yang telah sukses dan mudah diterapkan
dalam pembuatan serat polimer dengan ukuran diameter dalam skala mikrometer
sampai nanometer. Polimer matriks nanofiber yang digunakan dalam penelitian
ini adalah polivinil alkohol (PVA), karena PVA mudah larut dalam air, tidak
beracun dan banyak dipakai sebagai media (matriks) untuk bahan-bahan yang
tidak dapat di-electrospinning.
Penelitian ini difokuskan pada struktur morfologi nanofiber graphene oxidePEDOT:PSS hasil electrospinning serta kajian sifat optik khususnya absorpsi
optik dan indeks bias dari pengukuran spektroskopi UV-Vis. Data serapan yang
diperoleh dari pengukuran kebanyakan hanya bagian imajiner. Sehinggga untuk
mendapatkan konstanta-konstanta optik yang kompleks digunakan metode
Kramers-Kronig. Metode Kramers-Kronig telah umum digunakan untuk
menghitung bagian real dari bagian imajiner suatu fungsi atau sebaliknya. Untuk
mempermudah perhitungan data yang sangat banyak dan rumit maka akan
dilakukan pembuatan program komputasi menggunakan Software IGOR Pro 6.36.
1.2
Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah dijelaskan di atas, maka
permasalahan dalam penelitian ini yaitu bagaimana mensintesis reduced graphene
oxide (rGO) dan modifikasi morfologi kedalam bentuk nanofiber serta pengaruh
polimer konduktif PEDOT:PSS pada sifat optik nanofiber rGO yang disintesis
menggunakan electrospinning. Kajian sifat optik nanaofiber rGO seperti absorpsi
optik dan indeks bias masih terbatas, sehingga akan sangat menarik untuk dikaji
lebih dalam.
4
1.3
Batasan Masalah
Pembahasan dalam penelitian ini hanya dibatasi pada struktur morfologi
nanofiber rGO/PEDOT:PSS yang disintesis menggunakan electrospinning.
Parameter electrospinning yang digunakan yaitu tegangan 15 kV, jarak antara tip
dan collector 15 cm, ukuran jarum 0,5 mm dan waktu electrospinning 60 detik.
Sedangkan sifat optik yang dikaji yaitu absorpsi optik yang terkait dengan indeks
bias dan koefisien extinction nanofiber rGO/PEDOT:PSS. Indeks bias kompleks
diperoleh dengan analisis Kramers-Kronig menggunakan Software IGOR Pro
6.36.
1.4
Tujuan Penelitian
Tujuan yang akan dicapai dalam penelitian ini adalah:
1. Mensintesis reduced graphene oxide (rGO) dari serbuk grafit
menggunakan metode Hummer;
2. Mensisntesis
nanofiber
rGO/PEDOT:PSS
menggunakan
electrospinning;
3. Menganalisis sifat optik khususnya indeks bias kompleks dan pengaruh
penambahan
PEDOT:PSS
terhadap
indeks
bias
nanofiber
rGO/PEDOT:PSS.
1.5
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat:
1. Memberikan informasi mengenai sintesis graphene dengan metode
Hummer dan sintesis nanofiber rGO/PEDOT:PSS menggunakan
electrospinning;
2. Memberikan informasi mengenai sifat optik khususnya absorpsi dan
indeks bias pada nanofiber rGO/PEDOT:PSS.
5
1.6
Sistematika Penulisan
Tesis ini ditulis dengan sistematika sebagai berikut :
1. Bab I menjelaskan latar belakang dilakukannya penelitian mengenai
sintesis dan karakterisasi sifat optik nanofiber rGO/PEDOT:PSS,
rumusan masalah, batasan masalah, manfaat penelitian, dan sistematika
penulisan.
2. Bab II berisikan tinjauan pustaka yang menjelaskan berbagai penelitian
terdahulu terkait dengan penelitian yang akan dilakukan.
3. Bab III menjelaskan teori dasar mengenai graphene, polimer konduktif
PEDOT:PSS, sifat-sifat optik material, metode electrospinning, serta
teknik karakterisasi menggunakan Spektroskopi UV-Vis, Fourier
Transform Infrared (FTIR), Spektroskopi Raman, dan Scanning
Electron Microscopy (SEM).
4. Bab IV menjelaskan metode penelitian, yang mencakup alat dan bahan
yang digunakan dalam
penelitian, prosedur penelitian,
teknik
karakterisasi dan pengolahan serta analisis data.
5. Bab V menunjukan hasil yang diperoleh dari hasil sintesis dan
pembahasannya.
6. Bab VI menunjukan kesimpulan dari hasil eksperimen serta saran untuk
penelitian berikutnya.
Daftar pustaka mencantumkan seluruh pustaka yang diacu dan lampiran
berisi data-data yang diperoleh dalam penelitian dan dokumentasi
penelitian.