Perpustakaan Digital ITB

Grafena beberapa lapis (few-layer graphene, FLG) merupakan material yang cocok untuk aplikasi elektroda konduktif transparan (transparent conducting electrode, TCE) pada sel surya karena keunggulan sifat fisisnya. Namun, penumbuhan FLG dengan jumlah lapisan terkontrol masih sulit direalisasikan pada penumbuhan deposisi uap kimia (chemical vapor deposition, CVD) dengan menggunakan katalis konvensional. Baru-baru ini, studi eksperimen menunjukkan bahwa penggunaan katalis paduan berbasis Cu dengan logam transisi lain yang mempunyai kelarutan atom C tinggi merupakan teknik yang efektif untuk menumbuhkan FLG dengan jumlah lapisan terkontrol. Namun, penelitian eksperimen tersebut belum didukung oleh penelitian teoritis, sehingga mekanisme penumbuhan grafena pada katalis paduan berbasis Cu masih belum diketahui secara pasti. Dalam studi ini, mekanisme penumbuhan grafena pada katalis paduan berbasis Cu dipelajari dengan menggunakan metode teori fungsional kerapatan (density functional theory, DFT) yang dikombinasikan dengan teori termodinamika atomik dan metode ab initio molecular dynamics (AIMD). Pertama, pengaruh jenis atom pemadu pada katalis paduan Cu?M (M=Co, Ni) terhadap mekanisme penumbuhan grafena dievaluasi. Dalam studi ini, fraksi atom M diatur sebesar 18,75 at.%. Energi adsorpsi spesies sumber karbon pada permukaan dan sub-permukaan katalis Cu?Co lebih rendah daripada katalis Cu?Ni, namun masih tingginya energi aktivasi membuat monomer C sulit berdifusi ke subpermukaan katalis Cu?Co. Disisi lain, difusi monomer C ke sub-permukaan katalis dapat diaktivasi dengan energi yang lebih rendah pada katalis Cu?Ni. Oleh sebab itu, monomer C pada permukaan katalis merupakan spesies aktif pada katalis Cu?Co dan monomer C pada sub-permukaan katalis merupakan spesies aktif pada katalis Cu?Ni. Sehingga, FLG hanya mungkin ditumbuhkan pada katalis Cu?Ni karena akan berlangsung mekanisme penumbuhan segregasi. Selain jenis atom pemadu, pengaruh fraksi atom Ni di dalam katalis paduan Cu?Ni terhadap mekanisme penumbuhan grafena juga dipelajari. Semakin tinggi fraksi atom Ni menyebabkan energi adsorpsi spesies sumber karbon semakin tereduksi. Selanjutnya, populasi relatif spesies sumber karbon sangat bergantung dengan struktur katalis. CH dan monomer C pada permukaan katalis berkompetisi untuk menjadi spesies yang dominan pada katalis Cu?Ni-1 (6,25 at.% atom Ni). Oleh sebab itu, CH dan monomer C pada permukaan katalis merupakan spesies aktif pada katalis Cu?Ni dengan fraksi atom Ni yang rendah, yang mana ini mirip dengan katalis Cu murni. Disisi lain, atom C pada sub-permukaan katalis merupakan spesies aktif pada katalis paduan Cu?Ni dengan fraksi atom Ni yang tinggi. Paralel dengan hal ini, difusi atom C ke dalam sub-permukaan katalis Cu?Ni-3 (18,75 at.% atom Ni) dapat diaktivasi dengan energi yang rendah yaitu 0,16 eV, yang mana ini dapat dikompensasi oleh energi termal pada sistem CVD. Oleh sebab itu, mekanisme penumbuhan termediasi permukaan akan berlangsung pada katalis Cu?Ni dengan konsentrasi Ni yang rendah sehingga cenderung menghasilkan grafena lapis tunggal (single-layer graphene, SLG) dan mekanisme penumbuan segregasi akan berlangsung pada katalis Cu?Ni dengan konsentrasi Ni yang tinggi (>18,75 at.% atom Ni) sehingga cenderung menghasilkan FLG. Karena FLG diprediksi hanya mungkin ditumbuhkan pada katalis Cu?Ni dengan konsentrasi Ni yang tinggi, maka mekanisme segregasi adatom C dan tahapan awal pembentukan FLG dipelajari dengan menggunakan metode AIMD. Adatom C yang ada di dalam katalis Cu?Ni cenderung berikatan dengan atom Ni. Kecenderungan ini diindikasikan oleh kestabilan populasi tumpang tindih ikatan (bond overlap population) antara atom Ni dan atom C pada rentang waktu yang lama. Kemudian, hampir semua adatom C mengalami proses segregasi atau difusi bulk sejak ~7 ps. Kondisi ini dikarenakan proses segregasi dan difusi bulk di katalis Cu?Ni dapat diaktivasi dengan energi yang lebih rendah dari pada di katalis Cu murni. Atom Ni memfasilitasi proses difusi bulk dan segregasi dengan membentuk saluran terorientasi. Pembentukan dimer C juga teramati sebagai konsekuensi dari difusi keluar bulk adatom C. Dimer C bersegregasi ke daerah interface sejak ~10 ps dan menjadi spesies krusial dalam menginisiasi nukleasi lapisan tambahan grafena (add-layer graphene). Proses segregasi adatom C yang dilaporkan disini membuktikan mekanisme penumbuhan segregasi dari FLG pada katalis Cu?Ni yang diusulkan oleh penelitian eksperimen sebelumnya. Dalam aspek pengaplikasian FLG sebagai material TCE, penambahan jumlah lapisan menyebabkan sedikit penurunan transmitansi FLG. Disisi lain, konduktivitas elektronik FLG mengalami peningkatan secara signifikan ketika jumlah lapisan ditambahkan. Performa FLG untuk aplikasi TCE akan lebih baik daripada ITO dan AZO sebagai material TCE konvensional jika jumlah lapisan FLG lebih dari tiga lapis. Bersarkan semua hasil yang telah diperoleh, studi ini menyediakan pandangan yang penting dan krusial dalam upaya menumbuhkan FLG dengan jumlah lapisan terkontrol dan pengaplikasian FLG sebagai material TCE pada sel surya.