Indo. J. Chem. Sci. 2 (1) (2013)Indonesian Journal of Chemical Sciencehttp://journal.unnes.ac.id/sju/index.php/ijcs

© 2013 Universitas Negeri SemarangISSN NO 2252-6951

Info Artikel Abstrak

Abstract

PENGARUH ENKAPSULASI LOGAM TERHADAP NILAI CELAH PITA BORON NITRIDENANOTUBES(4,4)

Ika Devia Nursetiana*), Kasmui dan Agung Tri PrasetyaJurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri SemarangGedung D6 Kampus Sekaran Gunungpati Telp. (024)8508112 Semarang 50229

Sejarah Artikel:Diterima April 2013Disetujui April 2013Dipublikasikan Mei 2013

Boron Nitride Nanotubes (BNNTs) merupakan material nano yang memiliki nilaicelah pita lebar sekitar ~5,5 eV. Nilai celah pita BNNTs perlu diturunkan kisaran2 eV sampai 3 eV agar material ini dapat digunakan sebagai bahansemikonduktor. Salah satu cara untuk menurunkan nilai celah pita BNNTs yaitudengan mengenkapsulasi material, bisa senyawa organik ataupun logam. Tujuanpenelitian ini adalah untuk mengetahui perubahan nilai celah pita BNNTs ketikamengenkapsulasi logam Fe maupun logam Cu. Perhitungan nilai celah pitamenggunakan metode Density Functional Theory (DFT) dengan basis set DoubleZetta Polarized (DZP). Hasil analisis menunjukkan adanya kombinasi struktur pitapada BNNTs yang menghasilkan nilai celah pita BNNTs yang semakinmenyempit. Untuk perhitungan nilai celah pita BNNTs murni menggunakanmetode DFT didapatkan sebesar 4,31 eV, sedangkan BNNTs yang telahmengenkapsulasi logam Fe didapatkan celah pita 2,82 eV, dan untuk BNNTsyang mengenkapsulasi logam Cu didapatkan celah pita sebesar 2,16 eV. Dari datatersebut diketahui bahwa dengan mengenkapsulasi logam Fe atau Cu, nilai celahpita BNNTs dapat diubah menjadi material semikonduktor.

Alamat korespondensi:E-mail: ika.devilboy@gmail.com

Kata kunci:BNNTscelah pitaenkapsulasi

Boron Nitride Nanotubes (BNNTs) is a nanoscale material that has a widebandgap values around ~ 5.5 eV. Band gap value of BNNTs have reduced therange of 2 eV to 3 eV so that the material can be used as a semiconductormaterial. One way to lower the value of the band gap of BNNTs is to encapsulatethe material, can be organic compounds or metals. The purpose of this study wasto determine the change in the value of the band gap of BNNTs whenencapsulating Fe or Cu metals. Calculate the band gap value using DensityFunctional Theory (DFT) method with the basis set Double Zetta Polarized(DZP). The analysis showed the combination of band structure on BNNTs thatproduces a value of band gap narrowing BNNTs. Band gap value calculation ofpure BNNTs obtained using DFT methods at 4.31 eV, while BNNTs haveencapsulates Fe metal obtained band gap values 2.82 eV, and for the band gapvalue of BNNTs that encapsulates Cu metal obtained band gap 2.16 eV. Fromthese data it was found that by encapsulating the Fe or Cu metal, the value of theband gap of BNNTs can be converted into a semiconductor material.

79

ID Nursetiana / Indonesian Journal of Chemical Science 2 (1) (2013)Pendahuluan

Perangkat elektronik dan optoelektronikbanyak digunakan oleh masyarakat, dariperalatan rumah tangga sederhana dan sistemmultimedia untuk komunikasi, komputasi, daninstrumen medis. Mengingat permintaansemakin meningkat, menumbuhkan minatdalam pengembangan perangkat nano yang bisamemungkinkan fungsi baru dan ataumeningkatkan kinerja. Kawat nano semikonduktor muncul sebagai bahan yangmenarik, melalui pengendalian pertumbuhandan pembentukan, membuka peluang besaruntuk perangkat fotonik dan elektronik skalanano. Contoh prototipikal dari perangkatdengan potensi yang luas untuk aplikasi adalahkawat nano Field Effect Transistor (FET) (Li et al.,2006).

Material nano yang cocok untukkebutuhan semikonduktor bidang elektronikyaitu Carbon Nanotube (CNT). CNT memilikisifat konduktor ataupun semikonduktor,tergantung penggulungannya. Tetapi CNTmemiliki kelemahan pada stabilitas termalnya,karena CNT hanya mampu bertahan padatemperatur 500oC. Disisi lain, ada material non-organik yang dapat digunakan sebagaipengganti CNT yaitu Boron Nitride Nanotubes(BNNTs).

Gambar 1. Struktural model dari BN nanotubeBNNTs merupakan material yang akan

dapat digunakan dalam berbagai bidang.BNNTs dapat dipintal menjadi benang putihdan tekstil yang dapat diwarnai. Celah pita yangdapat diubah telah diteliti sebelumnya untukperangkat optik dan elektronik. Bahan yangmemiliki luas permukaan dan kemampuanuntuk mengikat hidrogen dan molekul lainsehingga dapat dipergunakan dalampenyimpanan bahan bakar yang bersih danefisien. Kekakuan dan kekuatan tarik, dapatdigunakan dalam struktur komposit dan alatpelindung penyerap energi (Cohen et al., 2010).

Sebagai analog struktur dari CNT, BNNTsmemiliki sifat yang istimewa yaitusemikonduktor celah pita lebar. BNNTs jugatahan terhadap oksidasi, stabil hingga 700oC di

udara. Sifat-sifat yang dimiliki ini menjadikanBNNTs kandidat menarik untuk nanoelektroniksebagai pengganti CNT. Akan tetapi BNNTs inimemiliki kelemahan pada nilai celah pitanya,yaitu terlalu lebar untuk materialsemikonduktor. Untuk aplikasi bidangelektronik, sangatlah perlu mengubah strukturpita BNNTs untuk memperoleh sifatsemikonduktor.

Penelitian Chen et al. (2008) yangmenggunakan emas nano (Au) untuk menghiasipermukaan BNNTs dalam upaya untukmemodifikasi properti listrik dan terkait fiturbidang emisi. BNNTs yang bersifat isolatormenjadi logam setelah pelapisan. Pelapisan Aumemodifikasi fungsi kerja dari BNNTs dansebagai akibatnya, bidang emisi rapat arus Au-BNNTs secara signifikan ditingkatkan. Hasilpercobaan menunjukkan bahwa seperti Au-BNNT fitur menjanjikan electron field emitter.

Bererapa cara dapat dilakukan untukmengubah nilai celah pita BNNTs, salah satucara yaitu dengan enkapsulasi, menyisipkansuatu materi ke dalam rongga BNNTs.Enkapsulasi dapat menggunakan logam atausenyawa organik (He et al., 2008). Penelitianyang sama juga pernah dilakukan oleh Guo etal., (2011) dan Li et al., (2009). Logam yangmemiliki potensi bagus sebagai materienkapsulasi yaitu logam yang memilikikonduktivitas listrik yang tinggi yaitu logam Cu,suatu logam yang melimpahan di alam danmemiliki konduktivitas listrik terbaik keduasetelah perak. Selain logam Cu, logam Fe jugadapat digunakan mengingat logam ini jugamemiliki konduktivitas listrik yang bagus.Metode yang digunakan yaitu Density FunctionalTheory (DFT) dengan basis set Double ZetaPolarization (DZP).Metode Penelitian

Penelitian ini dilakukan di laboratoriumkimia komputasi FMIPA UNNES. Peralatanyang digunakan pada penelitian ini adalahkomputer dengan spesifikasi sebagai berikut:Prosesor tipe Intel(R)Core(TM)2 Quad CPUQ8400 @2,66 GHz dan Random Acces Memory(RAM) 2 GB. Perangkat lunak yang digunakandalam penelitian ini pemodelan strukturmenggunakan Virtual Nano Lab, optimasigeometri struktur BNNTs menggunakanAtomistix Tool Kit (ATK) 2008.10, pengukurannilai celah pita menggunakan Atomistix ToolKit (ATK) 2008.10, sistem operasi yangdigunakan adalah Windows VistaTM Business.Bahan yang digunakan dalam penelitian ini

ID Nursetiana / Indonesian Journal of Chemical Science 2 (1) (2013)

80

adalah Boron Nitride Nanotubes (4,4), logam Fedan logam Cu yang dibuat secara komputasi.Metode perhitungan menggunakan metodeDensity Functional Theory (DFT) dengan basis setDouble Zeta Polarization (DZP).

Pembuatan pemodelan molekul denganmembuka program Virtual Nano Lab, plilih danklik dua kali ‘nanotube grower’, pada dialog ‘tubeparameter’, masukkan nilai n=4, m=4 lalu klik‘show’. Drag ikon ‘drag­and­drop’ di pojok kananbawah, ke menu ‘bulk builder’. Tandai atomkarbon yang ingin diubah menjadi atom Boronatau Nitrogen. Klik ‘repetition’, masukkan angka3 pada dialog box n(C) = 3, klik OK. Savepemodelan awal dengan nama BNNTs.vnl.

Opitmasi geometri BNNTs dengan caradrag ikon ‘drag­and­drop’ pada model BNNTsyang telah jadi dalam ‘Bulk Builder’ ke menu‘nanolanguage scripter’. Pada dialog ‘configuration’pada box ‘geometric optimation’ pilih ‘steepestdescent’. Pada dialog ‘analysis’ save data outputdengan nama ‘BNNTs-Op.vnl’ dan pada box‘available quantities’ pilih ‘total energy’. Drag ikon‘drag­and­drop’ ke menu ‘job manager’, makapekerjaan akan running.

Optimasi Geometri BNNTs-Fe/Cu denganmembuka model molekul BNNTs-Op.vnlsetelah optimasi awal ke menu ‘bulk builder’,pilih Insert atom, memasukkan atom Fe/Culengkap dengan posisi koordinatnya. Drag ikon‘drag­and­drop’ pada model BNNTs-Fe/Cu yangtelah jadi dalam ‘bulk builder’ ke menu‘nanolanguage scripter’. Pada dialog ‘configuration’pada box ‘geometric optimation’ pilih ‘steepestdescent’. Pada dialog ‘analysis’ save data dengannama ‘BNNTs-Fe/Cu.vnl’ dan pada box‘available quantities’ pilih ‘total energy’. Drag ikon‘drag­and­drop’ ke menu ‘job manager’, pekerjaanakan running.

Perhitungan nilai celah pita denganmembuka data BNNTs-Op.vnl pada cara kerjapertama. Drag ikon ‘drag­and­drop’ pada modelBNNTs-Op yang telah teroptimasi dalam ‘BulkBuilder’ ke menu ‘nanolanguage scripter’. Padadialog ‘configuration’ pada box ‘geometricoptimation’ pilih ‘no optimation’. Pada dialog‘analysis’ save data dengan nama ‘bandgap.vnl’dan pada box ‘available quantities’ pilih ‘energybands’. Drag ikon ‘drag­and­drop’ ke menu ‘jobmanager’, maka pekerjaan akan running.Melakukan hal yang sama pada data BNNTs-Fe/Cu, dengan save data menggunakan nama‘bandgap-Fe/Cu.vnl’.

Hasil dan PembahasanPemodelan molekular merupakan suatu

cara untuk menggambarkan atau menampilkanperilaku molekul atau sistem molekul semiripdengan aslinya. Pemodelan molekularmenggunakan metoda-metoda mekanikakuantum, mekanika molekular, animasi,simulasi, analisis konformasi serta beberapametode kimia komputasi lain yang memprediksiperilaku molekul.

Gambar 2. Proses pembuatan pemodelanmolekul BNNTsPemodelan awal yang terbentuk bukan

merupakan konformasi yang paling stabil, makadiperlukan optimasi geometri yang bertujuanuntuk membentuk pemodelan yangkestabilannya mendekati senyawa asli. Selamaproses optimasi, semua komponen yangmemberikan kontribusi pada energi dihitung.Setiap perubahan geometri akan diikuti denganperhitungan energi. Proses ini terus diulangsampai perubahan dalam energi antara satuiterasi dan gerakan selanjutnya berada dibawahharga standart parameter. Gambar pemodelanstruktur dari BNNTs serta BNNTsmengenkapsulasi Fe/Cu dapat dilihat padaGambar 3.

Gambar 3. Struktur teroptimasi untuk: (a1)BNNTs tampak depan, (a2) tampak samping,(b1) BNNTs enkapsulasi Fe tampak depan, (b2)tampak samping, (c1) BNNTs enkapsulasi Cutampak depan, (c2) tampak sampingGambar 3 terlihat bahwa pada atom logam

yang dienkapsulasikan yaitu logam Fe ataupunlogam Cu tetap berada di tengah rongga setelahoptimasi, sehingga dapat dikatakan bahwa

81

ID Nursetiana / Indonesian Journal of Chemical Science 2 (1) (2013)senyawa BNNTs bisa menstabilkan atom logamagar tetap berada di tengah. BNNTs akan stabilmenahan keberadaan logam jika jari-jari logamyang disisipkan sesuai dengan besarnya ukuranrongga BNNTs tersebut.Tabel 1. Energi total senyawa BNNTs sebelumdan sesudah penambahan logam

Pada hasil perhitungan optimasi geometri,didapatkan data energi total yang disajikan padaTabel 1. Pada tabel tersebut dapat dilihat bahwaenergi total BNNTs mengenkapsulasi logamlebih kecil dibandingkan dengan BNNTs,dengan adanya enkapsulasi logam akanmenambah ikatan sehingga membentukkonformasi senyawa yang lebih stabil.Sedangkan untuk enkapsulasi logam,enkapsulasi dengan logam Cu memiliki energiyang lebih rendah dibandingkan denganenkapsulasi dengan logam Fe. Kestabilan darisistem BNNTs mengenkapsulasi Fe/Cu berasaldari adanya interaksi antara atom BN denganatom logam, dimana terbentuknya ikatan lemahantar molekul yang disebut ikatan Van DerWaals. Gaya Van Der Waals merupakan gayaantar molekul khas untuk molekul nonpolar.Disebabkan karena distribusi muatan yangsesaat tidak seragam (dipol sesaat) yangdisebabkan fluktuasi awan elektron di sekitarinti. Dalam kondisi yang sama, semakin banyakjumlah elektron dalam molekul semakin mudahmolekul tersebut akan dipolarisasi sebabelektron-elektronnya akan tersebar luas. Biladua awan elektron mendekati satu sama lain,dipol akan terinduksi ketika awan elektronmempolarisasi sedemikian sehinggamenstabilkan yang bermuatan berlawanan.Seperti halnya pada penelitian He et al., (2008)yang meneliti tentang prinsip awal BNNTsmengenkapsulasi molekul organik, menyatakanbahwa adanya interaksi lemah antara BNNTsdan molekul yang dienkapsulasi.

Kestabilan struktur BNNTs enkapsulasiCu juga diperkuat dengan data dari prosesoptimasi geometri, yaitu dari ‘GeometryOptimization Step’. Dimana pada BNNTsenkapsulasi Cu hanya membutuhkan 10 kalipengulangan step untuk mendapatkan strukturstabil. Sedangkan untuk BNNTs enkapsulasi Fememerlukan step yang lebih banyak yaitu 24kali pengulangan. Dalam optimasi goemetri

dengan adanya logam Cu di dalam ronggaBNNTs, membuat struktur BNNTs lebih stabildengan banyaknya elektron valensi yangdimiliki logam Cu.

BNNTs merupakan senyawa mirip CNT.Perbedaan kedua senyawa ini terletak pada nilaicelah pita, dimana CNT dapat berupa metalikatau semikonduktor sedangkan BNNTsmerupakan senyawa semikonduktor mendekatiisolator. Maka perlu adanya perubahan nilaicelah pita pada BNNTs supaya senyawa miripCNT ini dapat diaplikasikan sebagai materialsemikonduktor. Salah satu cara untukmengubah nilai celah pita BNNTs yaitu denganenkapsulasi, yaitu menyisipkan suatu senyawaatau logam ke dalam rongga BNNTs.Tabel 2. Nilai celah pita BNNTs murni danyang telah mengenkapsulasi

Hasil penelitian yang telah dilakukan,didapatkan nilai celah pita murni dari BNNTsdan yang telah mengenkapsulasi logam dapatdilihat pada Tabel 2. Nilai celah pita dariBNNTs murni yaitu 4,31 eV, dimana nilai inilebih kecil dibandingkan nilai dari percobaanlaboratorium karena kecenderungan metodeDFT yang dapat menurunkan nilai celah pita,dimana hasil eksperimen menyatakan bahwa nilaicelah pita dari BNNTs murni berkisar ~5,5 eV.Struktur pita BNNTs yang telahmengenkapsulasi dapat dianggap sebagaikombinasi sederhana dari struktur pita BNNTsdan atom logam didalamnya, karena interaksilemah di antara keduanya.

Gambar 3. Stuktur pita dari: (a) BNNTs murni,(b) BNNTs mengenkapsulasi Cu, dan (c)BNNTs mengenkapsulasi FeGambar 3 dapat diketahui bagaimana

struktur pita dari senyawa BNNTs murniataupun BNNTs yang mengenkapsulasi Fe/Cu.Untuk Gambar 3 (a), merupakan struktur pita

ID Nursetiana / Indonesian Journal of Chemical Science 2 (1) (2013)

82

dari BNNTs murni dimana pita valensi/Highestoccupied molecular orbital (HOMO) berada padaenergi -1,36 eV dan pita konduksi/Lowestunoccupied molecular orbital (LUMO) berada padaenergi 2,95 eV. BNNTs yang telahmengenkapsulasi Fe/Cu memiliki struktur pitagabungan, yaitu naik dan turunnya energiHOMO dan LUMO struktur pita BNNTs.Logam Fe merupakan atom golongan transisiyang memiliki bilangan oksidasi stabil +2 atau+3, sehingga terdapat 3 buah energi orbitaltambahan pada struktur pita gabungan padaGambar 3 (c). Sedangkan logam Cu merupakanatom golongan transisi yang memiliki bilanganoksidasi stabil +1 atau +2, sehingga hanyaterdapat 1 energi orbital tambahan pada strukturpita gabungan seperti pada Gambar 3 (b).

Gambar 4. Perhitungan nilai celah pita BNNTsmurniLogam Fe, pita konduksi (LUMO) berasal

dari pita energi dari logam Fe sendiri sedangkanpita valesnsi (HOMO) berasal pita energiBNNTs. Nilai celah pita baru yaitu sebesar 2,82eV. Sehingga enkapsulasi menggunakan logamFe menjadikan BNNTs sebagai semikonduktor.Sedangkan untuk logam Cu, pita valensi berasaldari pita energi logam Cu dan pita konduksiberasal dari pita energi BNNTs. Nilai celah pitadari Cu yang dienkapsulasikan BNNTs sebesar2,16 eV. Enkapsulasi logam Cu juga dapatmenjadikan BNNTs bersifat semikonduktor.

Gambar 5. Perhitungan nilai celah pita BNNTsenkapsulasi FeHal ini menunjukkan perbedaan antara

enkapsulasi menggunakan logam Fe atau Cu,dari perpaduan struktur energi pita hingga nilaicelah pita, dimana kedua logam ini memilikikonduktivitas listrik yang tinggi. Tetapi kedua

logam dapat mengubah nilai celah pita BNNTsyang semula semikonduktor celah pita lebar(mendekati isolator) menjadi semikonduktor.Dengan demikian ada harapan untukmenjadikan BNNTs sebagai bahan yang dapatdiaplikasikan sebagai material semikonduktordimana nilai celah pita dapat di set bervariasitergantung logam yang dienkapsulaskan.

Gambar 6. Perhitungan nilai celah pita BNNTsenkapsulasi FeSimpulan

Boron nitride nanotubes (BNNTs) murnimemiliki nilai celah pita lebar yaitu 4,31 eV;nilai ini lebih kecil dari eksperimen (~5,5 eV)karena penggunaan metode DFT yangcenderung melemahkan nilai celah pita. Logambesi (Fe) yang dienkapsulasikan pada BNNTsdapat menurunkan nilai celah pita menjadi 2,82eV. Logam Cu yang dienkapsulasikan padaBNNTs dapat menurunkan nilai celah pitamenjadi 2,16 eV. Dengan mengenkapsulasilogam Fe didapatkan penurunan energi LUMOpada struktur pita BNNTs dan menurunkancelah pita sebesar 1,49 eV, sedangkan denganmengenkapsulasi logam Cu didapatkankenaikan energi HOMO pada struktur pitaBNNTs dan menurunkan celah pita sebesar 2,15eV, maka logam yang cocok untukdienkapsulasikan pada BNNTs yaitu logam Cu.Daftar PustakaChen, H., H. Zhang, L. Fu, Y. Chen, J. S.Williams, C. Yu, & D. Yu. 2008. NanoAu-decorated Boron Nitride Nanotubes:Conductance modification and field-emission enhancement. Applied PhysicsLetters. 92, 243105Cohen, M. L. & A. Zettl. 2010. The Physics OfBoron Nitride Nanotubes. Physics Today.November. Volume 63, Issue 11Guo, L., X. H. Zheng & Z. Zeng. 2011.Transition Metal EncapsulatedHydrogenated Silicon Nanotubes: Silicon-based Half-metal. Physics Letters A 375(2011) 4209-4213He, W., Z. Li, J. Yang, & J. G. Hou. 2008. Afirst principles study on organic moleculesencapsulated BN nanotubes. J chem phys,128

83

ID Nursetiana / Indonesian Journal of Chemical Science 2 (1) (2013)Li, Y., F. Qian, J. Xiang, & C. M. Lieber. 2006.Nanowire electronic and optoelectronicdevices. Materials Today 9 (10), 18 (2006)Li, Y., & H. Li. 2009. Structures and Electronic,

Optical Properties of Hydrogen NanowiresEncapsulated in Single-Walled BoronNitride Nanotubes. J. Mater Sci. Technol.,2010, 26(6), 542-546