Material 2D seperti Grafena Membuka Batas Baru dalam Ilmu Material

Penemuan Tidak Sengaja

Sebagian besar benda padat memiliki struktur tiga dimensi. Atomnya dapat tersusun teratur dalam kristal atau lebih tidak teratur dalam bahan amorf. Struktur dan ikatan tersebut menentukan banyak sifat material.

Keberhasilan penting dalam mempelajari kristal dua dimensi terjadi pada 2004, ketika Andre Geim dan Konstantin Novoselov di Universitas Manchester berhasil mengisolasi grafena. Mereka menggunakan pita perekat untuk mengelupas grafit hingga memperoleh lapisan karbon setebal satu atom. Ini bukan berarti semua material berdimensi rendah baru diketahui saat itu.

Hal ini kemudian membuat mereka memenangkan Hadiah Nobel Fisika 2010.

Grafena terdiri atas atom karbon yang tersusun dalam kisi heksagonal setebal satu atom. Grafit juga merupakan kristal, tetapi tersusun dari banyak lapisan yang bertumpuk; intan memiliki jaringan ikatan tiga dimensi. Nanotabung dan titik kuantum merupakan contoh sistem berdimensi rendah lainnya, bukan penemuan yang semuanya berasal dari percobaan grafena tersebut.

Sumber: Ossila

Yang membuat material 2D istimewa adalah konfigurasi unik ini yang menghasilkan sifat fisik yang unik.

Grafena memiliki sifat elektronik khas, dengan kecepatan karakteristik pembawa muatan sekitar 1/300 dari kecepatan cahaya dalam kondisi tertentu. Material ini juga menghantarkan panas dengan baik, kuat, dan hampir transparan, dengan penyerapan cahaya tampak sekitar 2,3% untuk satu lapisan.

Sumber: Visual Capitalist

Lebih dari Sekadar Grafena

Sifat grafena menarik perhatian banyak peneliti. Namun, material dua dimensi tidak harus terbuat dari karbon. Berbagai unsur dan senyawa dapat membentuk lapisan sangat tipis dengan sifat berbeda, antara lain:

• Borofena, lapisan boron yang dilaporkan berhasil disintesis pada 2015.
• Goldene, lapisan emas setebal satu atom yang dilaporkan pada 2024.
• Silikena, yang tersusun dari atom silikon.
• Fosforena, yang tersusun dari atom fosfor.

Material dua dimensi juga dapat berupa senyawa, misalnya molibdenum disulfida (MoS2). Struktur ultratipis lain dapat melibatkan senyawa seperti silikon nitrida (Si₃N₄). Ketebalan dan struktur atomnya perlu dibedakan, bukan dianggap selalu sama dengan satu lapisan grafena.

Atom lain dapat diikatkan pada lapisan tersebut untuk mengubah sifatnya. Penambahan hidrogen pada grafena, misalnya, menghasilkan grafana (graphane).

Oleh Edgar181 (talk) — karya sendiri, domain publik, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234

Keragaman ini membuka banyak kemungkinan, tetapi setiap material perlu diteliti secara khusus.

Aplikasi – Aspek Fundamental

Konfigurasi atom dan ikatan dalam material dua dimensi memengaruhi struktur elektronik serta sifat mekaniknya. Tidak semua material dalam kelompok ini memiliki sifat yang sama.

Sebagian menunjukkan konduktivitas listrik atau panas yang tinggi, sementara yang lain merupakan semikonduktor atau isolator. Ikatan kovalen melibatkan pemakaian bersama elektron, bukan sekadar pertukaran elektron.

Lapisan yang sangat tipis juga memberikan luas permukaan yang besar dibandingkan massanya. Hal ini menarik untuk katalisis dan reaksi kimia, walaupun luas permukaan yang dapat diakses bergantung pada penumpukan, cacat, dan cara pengolahan.

Superkonduktor

Sejumlah sistem dua dimensi diteliti karena dapat menunjukkan superkonduktivitas dalam kondisi tertentu. Sifat tersebut tidak otomatis muncul hanya karena elektron dapat bergerak di permukaan.

Superkonduktivitas merupakan keadaan dengan hambatan listrik nol dan sifat magnetik khas, ketika persyaratan suhu serta kondisi lainnya terpenuhi.

Hambatan nol dapat mengurangi rugi resistif pada penghantar. Namun, pendinginan, sambungan dan komponen sistem tetap dapat memerlukan energi. Karena itu, superkonduktivitas tidak berarti seluruh perangkat bebas kehilangan energi.

Superkonduktor dapat mendukung magnet untuk penelitian fusi, transportasi levitasi magnetik dan berbagai perangkat listrik. Superkonduktivitas suhu kamar yang praktis akan memperluas peluangnya, tetapi tidak dengan sendirinya menyelesaikan seluruh tantangan fusi atau transportasi ke orbit. (Kami mengeksplorasi lebih detail pertanyaan tentang superkonduktor suhu kamar dalam artikel khusus kami).

Berbagai sistem dua dimensi dapat menunjukkan superkonduktivitas pada suhu, tekanan, susunan lapisan atau kondisi lain yang sesuai, termasuk:

• Film ultra‑tipis logam elemental.
• Kuprat.
• Oksida perovskit.
• Senyawa fermion berat berbasis unsur tanah jarang.
• Grafena.
• Selenida besi pada permukaan oksida.
• Konduktor organik pada permukaan logam.

Semikonduktor

Semikonduktor memiliki sifat listrik yang dapat dikendalikan, misalnya melalui tegangan, doping atau cahaya. Transistor memanfaatkannya untuk mengatur arus dan membentuk operasi logika. Kecepatan komputasi dipengaruhi oleh waktu pensaklaran serta banyak faktor lain, termasuk koneksi, panas dan rancangan rangkaian.

Grafena

Grafena awalnya menarik sebagai calon bahan elektronik pengganti silikon. Namun, grafena murni memiliki celah pita nol, sehingga sulit mematikan arus secara efektif pada transistor logika konvensional.

Celah pita adalah rentang energi tanpa keadaan elektron yang diizinkan antara pita valensi dan pita konduksi. Besarnya membantu menentukan perilaku listrik, bersama struktur pita dan faktor lainnya.

Sumber: Energy Education

Tidak adanya celah pita membatasi penggunaan grafena murni untuk fungsi transistor tertentu. Ini tidak berarti grafena sama sekali tidak dapat digunakan dalam elektronik.

Sebuah kemajuan dilaporkan pada 2024, ketika peneliti mengembangkan grafena epitaksial semikonduktor pada silikon karbida. Hasil khusus ini tidak membuat setiap jenis grafena menjadi semikonduktor.

“Kini kami memiliki semikonduktor grafena yang sangat kuat, dengan mobilitas sepuluh kali silikon dan sifat unik yang tidak tersedia pada silikon. Kami harus belajar memperlakukan materialnya, memperbaikinya, dan akhirnya mengukur sifatnya. Itu membutuhkan waktu sangat lama.” Angka perbandingan ini merupakan pernyataan peneliti dalam konteks material dan pembanding yang digunakan, bukan jaminan semua perangkat menjadi sepuluh kali lebih cepat.

Goldene

Goldene adalah lembaran emas setebal satu atom. Kesamaan dimensinya dengan grafena tidak berarti struktur dan sifatnya identik.

Emas telah digunakan dalam komponen elektronik karena ketahanan terhadap oksidasi dan konduktivitasnya. Penggunaan emas biasa tidak boleh disamakan dengan penerapan komersial goldene.

Setelah pelaporan sintesis goldene pada 2024, peneliti mempertimbangkan sifat dan aplikasi barunya, termasuk kemungkinan perilaku semikonduktor. Kelayakan perangkat praktis masih perlu diteliti.

“Jika material dibuat sangat tipis, sesuatu yang luar biasa dapat terjadi, seperti pada grafena. Hal serupa terjadi pada emas. Emas biasanya logam, tetapi jika lapisannya hanya setebal satu atom, emas dapat menjadi semikonduktor.” Pernyataan ini menjelaskan arah penelitian, bukan bukti bahwa chip goldene sudah tersedia secara komersial.

Semikonduktor Organik

Molekul organik umumnya memiliki kerangka karbon yang dapat berikatan dengan unsur lain seperti hidrogen, oksigen, nitrogen atau sulfur.

Dalam penelitian yang dilaporkan pada 2024, para peneliti mengembangkan polimer organik dua dimensi dengan struktur dan tingkat cacat yang dikendalikan.

Sumber: POSTECH

Mereka kemudian menggunakan doping tipe-p untuk meningkatkan konduktivitas material.

Doping tipe-p menghasilkan pembawa muatan positif efektif atau lubang. Pada polimer konjugasi, proses ini dapat melibatkan transfer muatan dan tidak selalu berupa penambahan unsur substitusi seperti pada silikon.

Sumber: Wikipedia, oleh VectorVoyager

Para peneliti melaporkan konduktivitas listrik yang tinggi pada material hasil tersebut.

Polimer dua dimensi menambah pilihan bahan elektronik. Namun, produksi, kestabilan dan integrasi perangkat tetap perlu dikembangkan; hasil laboratorium tidak menjamin adopsi industri dalam waktu dekat.

Material dengan Sifat Unggul

Selain sifat elektronik, sebagian material dua dimensi memiliki sifat mekanik dan termal yang menarik.

Grafena berkualitas tinggi memiliki kekuatan tarik yang luar biasa. Penambahan grafena pada beton telah diteliti, dengan hasil tertentu berupa peningkatan kekuatan hingga sekitar 2,5 kali dan penurunan permeabilitas air sekitar empat kali. Hasil ini bergantung pada campuran dan kondisi uji. Grafena tidak berkarat seperti baja, tetapi tidak otomatis menggantikan tulangan atau membuat beton kebal terhadap semua kerusakan.

Oleh Achim Hering — karya sendiri, lisensi CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20269527

Kombinasi kekuatan dan massa rendah juga menarik untuk penelitian pelindung tubuh. Performa akhir harus dibuktikan pada komposit dan pengujian balistik yang sesuai.

Pengelolaan panas merupakan bidang lain. Misalnya, peneliti mengembangkan material yang kaku sekaligus menghambat aliran panas dengan menggunakan perovskit hibrida organik-anorganik berlapis.

Material seperti grafena dan boron nitrida heksagonal juga diteliti untuk membantu membuang panas dari perangkat elektronik dan optoelektronik. Boron nitrida heksagonal dapat menghantarkan panas sekaligus bersifat isolator listrik.

Material berkekuatan tinggi juga sering dibahas untuk konsep infrastruktur masa depan, seperti elevator antariksa. Konsep tersebut masih menghadapi tantangan besar dalam kekuatan struktur berskala panjang, cacat, produksi dan keselamatan, bukan sekadar jumlah bahan yang tersedia.

Biotek

Luas permukaan, ketipisan dan sifat kimia material dua dimensi menarik untuk penelitian bioteknologi. Namun, sifat biokompatibelnya perlu diuji untuk setiap bentuk material.

Aplikasi yang diteliti mencakup penghantaran obat, pencitraan, rekayasa jaringan, biosensor dan sensor gas.

Salah satu arah penelitian adalah memberikan sifat kiral pada material dua dimensi.

Kiralitas berarti suatu struktur tidak dapat ditumpangtindihkan dengan bayangan cerminnya, seperti tangan kiri dan kanan. Sifat ini penting dalam banyak molekul biologis, termasuk asam amino penyusun protein.

Sumber: UC Santa Barbara

“Kiralitas memungkinkan suatu unit biologis atau kimia memiliki dua bentuk yang tidak dapat ditumpangtindihkan, seperti sarung tangan kiri dan kanan. Keduanya merupakan bayangan cermin, tetapi sarung tangan kiri tidak pas pada tangan kanan dengan cara yang sama.” — Profesor Dipanjan Pan

Dalam penelitian laboratorium, peneliti membuat kepingan borofena kiral dan mengujinya pada sel mamalia dalam kultur. Perbedaan kiralitas memengaruhi interaksi dengan membran dan cara material memasuki sel. Ini bukan uji injeksi pada manusia.

Temuan tersebut membuka kemungkinan penelitian untuk “pencitraan medis beresolusi lebih tinggi dengan bahan kontras yang melacak interaksi sel, atau penghantaran obat melalui interaksi material-sel yang lebih terarah”.

Pemahaman yang lebih baik mengenai interaksi borofena dengan sel juga diperlukan untuk menilai keamanannya.

Untuk material lain, sebuah uji paparan terkontrol meneliti penghirupan lembaran grafena oksida oleh 14 sukarelawan sehat. Paparan singkat pada jenis material dan dosis tertentu tidak menimbulkan gangguan akut yang jelas dalam uji tersebut. Hasil ini tidak membuktikan keamanan semua bentuk grafena, paparan jangka panjang, atau proliferasi material dua dimensi secara umum.

Aplikasi biosensor dan perangkat skala nano memerlukan evaluasi toksisitas, distribusi dalam tubuh dan pengeluaran material, selain kinerja teknis. Nanorobot dalam aliran darah tetap merupakan arah penelitian, bukan penggunaan yang otomatis aman.

Keterbatasan

Manufaktur dalam Skala Besar

Grafena sudah memiliki produsen dan produk komersial. Namun, produksi lembaran berkualitas tinggi untuk elektronik dan banyak material dua dimensi lainnya masih menghadapi tantangan penskalaan.

Memproduksi sampel kecil dan menghasilkan material dalam jumlah besar dengan mutu konsisten merupakan masalah yang berbeda.

Pita perekat berguna untuk mengisolasi grafena di laboratorium. Produksi industri dapat menggunakan deposisi uap kimia (CVD), pengelupasan atau metode lain, tergantung bentuk dan mutu produk yang dibutuhkan.

Salah satu kemajuan yang dilaporkan adalah proses CVD tanpa oksigen untuk menghasilkan grafena dengan kemurnian tinggi. Hasil penelitian tersebut tetap perlu dinilai dari aspek skala dan integrasi proses.

Integrasi dengan Material Lain

Lapisan yang sangat tipis dapat sulit dipindahkan dan dipasangkan ke substrat lain tanpa menimbulkan kerutan, kontaminasi atau cacat.

Karena itu, integrasi grafena pada chip, komponen daya atau perangkat medis sering memerlukan teknik khusus.

Langkah tambahan ini dapat meningkatkan waktu dan biaya dibandingkan alternatif yang lebih mudah diproduksi.

Biaya

Harga bergantung pada jenis produk, kemurnian, jumlah lapisan, ukuran dan volume pembelian. Produk laboratorium tidak dapat langsung dibandingkan dengan bahan curah industri.

Sebagai ilustrasi, ada penawaran atau perkiraan harga grafena sekitar 20–2.000 dolar per kilogram. Rentang ini bukan harga baku untuk setiap bentuk grafena.

Perbandingan biaya dengan baja harus memakai fungsi, mutu dan jumlah bahan yang setara. Harga per kilogram saja tidak membuktikan bahwa grafena dapat menggantikan baja dengan kinerja yang sama.

Perusahaan Material 2D

Bidang material dua dimensi terus berkembang melalui penemuan material seperti goldene serta rekayasa sifat material yang sudah dikenal.

Pertumbuhan ekonomi bidang ini akan bergantung pada kemampuan menghasilkan produk yang konsisten dan berguna dengan biaya kompetitif.

CVD merupakan salah satu metode penting, terutama untuk lapisan berkualitas tinggi. Namun, metode lain juga relevan, sehingga keberhasilan industri tidak otomatis menjadi milik semua pemasok peralatan CVD.

1. Veeco

Veeco memasok peralatan proses untuk industri semikonduktor dan teknologi terkait. Aplikasinya mencakup berbagai tahap produksi perangkat elektronik, optoelektronik dan penyimpanan data. Menyediakan peralatan proses tidak sama dengan memproduksi sendiri seluruh chip atau perangkat tersebut.

Sumber: Veeco

Teknologi Veeco mencakup antara lain MOCVD, yaitu deposisi uap kimia menggunakan prekursor metal-organik, serta metode proses lainnya. Kesamaan istilah CVD tidak berarti setiap material dua dimensi dapat dibuat dengan mesin yang sama.

Sumber: Veeco

Keahlian dalam deposisi material dapat membuka peluang jika aplikasi baru berkembang. Namun, peluang itu bergantung pada kebutuhan proses, persaingan dan keberhasilan komersialisasi pelanggan.

Grafena, borofena dan material lain dapat menambah permintaan untuk proses manufaktur tertentu. Besarnya kontribusi pada pendapatan perusahaan masih perlu dibuktikan.

Digitalisasi, AI dan elektrifikasi juga dapat memengaruhi permintaan peralatan. Tren tersebut tidak menjamin pertumbuhan penjualan atau imbal hasil investasi.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

Graphene Manufacturing Group (GMG) mengembangkan grafena dan produk seperti pelapis perpindahan panas serta pelumas.

Perusahaan menawarkan keterkaitan langsung dengan aplikasi grafena, tetapi kapasitas produksi, penjualan, biaya dan kebutuhan pendanaan perlu dibedakan. Aktivitas komersial tidak otomatis berarti semua teknologinya telah mencapai produksi massal.

Sumber: GMG

Penelitian grafena juga mencakup semikonduktor (lihat “Semikonduktor Grafena — Apakah Akhirnya Hadir?”) dan superkonduktor suhu kamar. Arah penelitian ini tidak berarti GMG telah memiliki produk komersial tersebut. Pelapis untuk baterai atau bejana hidrogen juga harus dinilai berdasarkan pengujian khusus.

Sumber: GMG

GMG menguraikan gas alam, terutama metana, untuk menghasilkan karbon dalam bentuk grafena, hidrogen dan gas hidrokarbon sisa. Hidrogen merupakan salah satu hasil proses, bukan sekadar bahan baku yang ditambahkan. Keunggulan biaya, kemurnian dan skala harus dibuktikan untuk setiap kondisi operasi.

Pada 2023 perusahaan mengumumkan fasilitas pencampuran pelapis di Australia dengan kapasitas rancangan hingga satu juta liter per tahun. Kapasitas pelapis tidak sama dengan jumlah grafena yang diproduksi atau volume penjualan aktual.

GMG juga meneliti baterai ion aluminium-grafena. Angka historis seperti 290 Wh/kg, pengisian 60 kali lebih cepat atau umur tiga kali lebih panjang berasal dari tahap pengembangan dan perbandingan tertentu. Angka tersebut tidak boleh diperlakukan sebagai spesifikasi baterai kendaraan komersial yang sudah terverifikasi secara luas.

Sumber: GMG

Pengembangan baterai dapat membuka peluang sekaligus menambah risiko teknis dan pendanaan. Adopsi kendaraan listrik memerlukan pembuktian kinerja sel dan paket, umur pakai, keamanan, biaya serta produksi dalam skala besar.