SINTESIS NANOMATERIAL BORON-CARBON-OXYNITRIDE (BCNO)

ABSTRAK

Nanoteknologi merupakan suatu istilah yang maknanya meliputi perancangan, konstruksi dan pemanfaatan struktur fungsional dengan minimal satu karakterisasi ukurannya diukur dalam nanometer. BCNO (Boron-Carbon-Oxynitride) adalah nanomaterial yang dapat digunakan untuk mengganti fosfor. Tujuan eksperimen ini adalah guna mempelajari cara pembuatan BCNO beserta mengetahui karakter yang dihasilkan dari BCNO tersebut. Metode yang digunakan adalah metode pemanasan sederhana dengan menggunakan tungku pemanas (furnace). Adapun faktor yang mempengaruhi karakter BCNO adalah jumlah Citric Acid yang dicampurkan dengan Boric Acid dan urea, dimana semakin banyak Citric Acid yang dicampurkan maka semakin homogen pendaran dari fosfor BCNO tersebut. Sinar UV digunakan untuk melihat pendaran BCNO karena panjang gelombang UV sesuai dengan Luminescence dari BCNO. BCNO juga dapat digunakan untuk pembuatan LED putih.

Kata Kunci: nanoteknologi, BCNO, sinar UV, photoluminescene, LED putih

I.  Pendahuluan
1.1 Tujuan
Tujuan dari dilakukannya eksperimen ini adalah untuk memahami prinsip dasar nanomaterial fosfor, menemukan parameter kerja sintesis nanomaterial BCNO dan mampu menentukan hubungan kualitatif parameter kerja dengan intensitas perpendaran nanomaterial.

1.2 Tinjauan Pustaka

Nanoteknologi atau nanosains adalah ilmu pengetahuan dan teknologi yang maknanya meliputi perancangan, konstruksi dan pemanfaatan struktur fungsional dengan minimal satu karakterisasi yang ukurannya dalam skala nanometer, atau sepermilyar meter. Nanoteknologi merupakan teknologi yang dihasilkan dari pemanfaatan sifat-sifat molekul atau struktur atom jika berukuran nanometer. Jadi, jika molekul atau struktur dapat dibuat dalam ukuran nanometer maka akan dihasilakan sifat-sifat baru yang luar biasa. Sifat-sifat baru inilah yang kemudian dimanfaatkan untuk keperluan teknologi, sehingga teknologi ini disebut nanoteknologi.

Efisiensi kuantum adalah rasio dari foton-elektron yang dihasilkan pixel menangkap dengan kejadian foton pada daerah pixel. Nilai ini tergantung panjang gelombang sehingga nilai yang diberikan untuk efisiensi kuantum umumnya untuk panjang gelombang puncak untuk sensitivitas CCD.

Photoluminescence adalah radiasi padasalah satu panjang gelombang diserap, biasanya oleh suatu padatan, dan dipancarkan kembali pada berbagai panjang gelombang. Jika radiasi yang dipancarkan kembali tersebut merupakan fenomena yang dapat terlihat maka radiasi tersebut disebut fluorescence atau fosforescence. Solubilitas adalah kemampuan suatu zat terlarut (solute), untuk larut dalam suatu pelarut (solvent). 

Beberapa tahun belakangan ini,oxynitride dan bahan nitrat menjadi pusat perhatian sebagai bagian terpenting untuk fosfor dikarenakan sifat yang sempurna, cenderung tidak beracun, kestabilan termal dan kimia, selain itu menghasilkan panjang gelombang eksitasi dan emisi yang lebar, dan memiliki efisiensi luminescence yang tinggi dengan bantuan aktivasi ion tanah-jarang (rare-earth). Sebagai contoh, fosfor kuning cerah dan fosfor emisi bahan dasar telah disintesis dan digunakan untuk LED putih (LED) dengan karakterisasi cahaya efisiensi luminescene. Akan tetapi teknik ini membutuhkan temperatur dan tekanan yang sangat tinggi. Sebagai tambahan, ion tanah-jarang seperti Eu^2+, Ce^3+. Yb^2+ dan Tb^3+ yang dibutuhkan sebagai bagian utama luminescene, berharga mahal.

Gambar 1. Pengukuran spektrum eksitasi dan emisi dari sample BCNO fosfor yang dibuat pada temperatur 8000C dengan menggunakan perbandingan PEG/B sebesar 2x10^3 (mol/mol)

Gambar 2. Spektrum photoluminescence dari BCNO yang dibuat pada kondisi yang bervariasi, yakni perbandingan PEG/B, tempetatur, dan waktu pemanasan. a) 2.0 x 10^-3, 900⁰C, 30 menit; b) 2.0 x 10^-3, 800⁰C, 30 menit; c) 4.0 x 10^-3, 700⁰C, 60 menit; d) 4.0 x 10^-3, 700⁰C, 45 menit; dan e) 4.4 x 10^-3, 700⁰C, 30 menit.

Pengembangan material semikonduktor mengarah kepada pengembangan nanopartikel berbahan dasar carbon-boron nitride (BCN) agar dapat digunakan sebagai fosfor. Secara teoritik didapatkan kemungkinan mendapatkan bahan BCN yang dapat diatur emisi panjang gelombang mendekati spektrum cahaya tampak dengan memvariasikan komposisi kandungan BCN.  Pada tahun 2008, Takashi Ogi dan Ferry Iskandar, melaporkan penemuan yang sangat menarik tentang material baru, boron-carbon-oxynitride (BCNO), yang mampu disintesis dengan satu tahapan proses dan temperatur rendah (di bawah 900^oC) dan kondisi atmosfer udara.

II. Metoda Percobaan

Alat yang digunakan dalam eksperimen ini adalah neraca digital, tungku pemanas (furnance), cawan bakar, alu lumpang dan kamera handphone. Ada 3 bahan dasar yang digunakan pada eksperimen ini, yaitu Boric Acid, Urea  dan Citric Acid.

Sampel BCNO dibagi menjadi 3 sampel, sampel pertama dengan perbandingan C/B sebesar 0.3, sampel kedua dengan perbandingan C/B sebesar 0.4 dan sampel terakhir dengan perbandingan C/B sebesar 0.5. Adapun metode eksperimen yang digunakan yaitu metode pemanasan dengan menggunakan tungku pemanas (furnance). Ketiga bahan dasar tersebut digerus hingga halus dengan menggunakan alu lumpang kemudian dimasukkan ke dalam cawan bakar dan dipanaskan pada temperatur 750C selama 30 menit dengan udara dan tekanan atmosfer pada tungku pemanas (furnance). Setelah itu suhu tungku pemanas (furnance) didinginkan hingga dibawah200C. Setelah itu sampel digerus kembali dan diperiksa dengan menggunakan lampu UV.

III. Data dan Pengolahan

3.1 Data Sampel

3.1.1 Sampel 1

Sampel 1 terdiri dari:

Boric Acid: 0.5 gram

Urea : 4.8 gram

Citric Acid: 0.08 gram

Warna yang dihasilkan dari sampel ini adalah kuning, seperti yang dapat dilihat pada gambar dibawah ini (Gambar 3)

Gambar 3. Sampel 1 disinari UV

3.1.2 Sampel 2
Sampel 2 terdiri dari:
Boric Acid : 0.5 gram

Urea  : 4.8 gram

CitricAcid  : 0.10 gram

Warna yang dihasilkan dari sampel ini adalah biru, seperti yang dapat dilihat pada gambar dibawah ini (Gambar 4)

Gambar 4. Sampel 2 disinari UV

3.1.3 Sampel 3

Sampel 3 terdiri dari:

Boric Acid: 0.5 gram

Urea            : 4.8 gram

Citric Acid: 0.13 gram

Warna yang dihasilkan dari sampel ini adalah putih, seperti yang dapat dilihat pada gambar dibawah ini (Gambar 5)

Gambar 5. Sampel 3 disinari UV

Adapun perbandingan warna dari ketiga sampel yang dibuat dapat kita lihat pada kedua gambar dibawah ini (Gambar 6 dan Gambar 7).

Gambar 6. Ketiga sampel sebelum digerus disinari UV

Gambar 7. Ketiga sampel sudah digerus disinari UV

Gambar 8. Ketiga sampel sudah digerus tidak disinari UV

IV. Pembahasan

Variasi yang dilakukan pada ketiga sampel ini adalah berupa variasi Citric Acid, dimana perbandingan mol C/B pada sampel pertama sebesar 0.3, perbandingan molC/B  pada sampel kedua sebesar 0.4 dan perbandingan mol C/B pada sampel ketiga sebesar 0.5. meskipun gambar yang terdapat pada bab data dan pengolahan tidak begitu jelas, namun dapat diketahui bahwa warna yang dihasilkan dari sampel pertama  adalah kuning, warna yang dihasilkan dari sampel kedua adalah biru dan warna yang dihasilkan dari sampel ketiga adalah putih, meskipun sekilas nyaris sama dikarenakan perbandingan C/B  pada ketiga sampel ini tidak begitu jauh. Melalui warna-warna inilah dapat diketahui bahwa sampel ketiga merupakan sampel yang paling homogen, karena warna yang dihasilkan adalah putih. Sedangkan hasil dari sampel 1 dan 2 itu adalah heterogen, hal ini dibuktikan pada warna yang dihasilkan pada sampel pertama itu didominasi oleh warna kuning sedangkan pada sampel kedua itu didominasi oleh warna biru. Pada eksperimen ini, Citric Acid  berfungsi sebagai katalis yang dapat mempercepat proses pembentukan BCNO sehingga mempengaruhi kehomogenan dari ketiga sampel yang dibuat.

Sinar UV berfungsi membedakan zat yang berfluorescent dan tidak/sampel mana yang bercahaya karena radiasi elektromagnetis terhadap panjang gelombang yang lebih pendek dari daerah dengan sinar tampak, namun lebih panjang dari sinar-X yang kecil. Luminescence untuk BCNO berkisar di panjang gelombang 387-571 nm, sedangkan untuk cahaya tampak berada pada range 400-700 nm. Maka dari itu sinar UV sangat diperlukan dalam membantu mengeluarkan pendaran cahaya tak tampak.

Adapun proses perpendaran pada BCNO dimulai dari masuknya sinar ultraviolet ke dalam fosfor BCNO. Sinar UV menyebabkan adanya ionisasi atom. Elektron pada BCNO tereksitasi sesuai dengan range panjang gelombangnya. Lalu terjadilah proses dimana sebuah kuantum energi yang lebih tinggi pada area mekanik partikel dikonversi ke yang lebih rendah melalui emisi foton, sehingga memproduksi cahaya. Hal inilah yang menyebabkan BCNO berpendar. Adapun yang dibutuhkan dalam menghasilkan warna pada sampel adalah energi absorpsi yang merupakan proses absorpsi elektron akibat elektron menerima energi dari foton yang datang.

Terjadinya eksitasi elektron dari pita valensi (valence band) ke pita konduksi (conduction band) tidak terlepas dari energi yang cukup diterima elektron untuk bergerak menuju pita konduksi. Energiyang diterima elektron agar dapat tereksitasi bisa berasal dari pengaruh medan listirk yang diberikan dari luar atau berasal dari foton yang datang dengan besar energi tertentu.

Bentuk fisik lampu LED putih yang digunakan sebagai lampu penerangan merupakan kumpulan (kluster) LED putih yang sudah disatukan dan dikemas sedemikian rupa sehingga membentuk sebuah sumber cahaya. Saat ini penyediaan lampu LED putih sebagai penerangan lebih banyak untuk di rumah-rumah dan harganya relatif masih mahal. BCNO dapat digunakan untukmembuat LED putih. LED putih biasanya terbuat dari sumber cahaya diode biru dan fosfor. Fosfor dapat diganti oleh BCNO. Membuat LED putih dengan BCNO dapat menggunakan metode pemanasan sederhana dan reactor tegangan tinggi.

Spektrofotometer adalah alat untuk mengukur transmitans atau absorbans suatu contoh yang dinyatakan dalam fungsi panjang gelombang. Prinsip kerja spektrofotometer adalah bila cahaya (monokromatik maupun campuran) jatuh pada suatu medium homogen, sebagian dari sinar masuk akan dipantulkan, sebagian di serap dalam medium itu, dan sisanya diteruskan. Nilai yang keluar dari cahaya yang diteruskan dinyatakan dalam nilai absorbansi karena memiliki hubungan dengan konsentrasi sampel. Studi spektrofotometri dianggap sebagai perluasan suatu pemeriksaan visual yang lebih mendalam dari absorbsi energi.

V. Kesimpulan

BCNO adalah jenis fosfor yang murah karena bahan pembentuknya yang mudah ditemukan dialam. Untuk membuat BCNO ini dapat dilakukan metode pemanasan sederhana dengan menggunakan tungku pemanas (furnance).

Intensitas photoluminescence dari BCNO dapat diatur berdasarkan kadar Citric Acid  yang ditambahkan pada bahan dasar.

Hasil sampel pertama yaitu berwarna kuning dan heterogen, sampel kedua yaitu berwarna biru dan heterogen dan sampel ketiga yaitu berwarna putih dan homogen. Maka dari itu dapat disimpulkan bahwa hasil dari sampel 3 adalah hasil yang sesuai dengan yang diinginkan pada eksperimen ini.

BCNO dapat digunakan untuk membuat LED putih. Karena pembuatan BCNO yang relatif lebih murah dibandingkan fosfor lain maka otomatis LED putih yang dibuat dari BCNO juga lebih murah.

Daftar Pustaka

E. Poli, Mario. 2006. Teknologi Masa Depan “Nanoteknologi”. Manado: Fakultas Teknik Universitas Sam Ratulangi.

Mutiara ayu, Adinda, dkk. 2012. Modul 6 Sintesis Nanomaterial Boron-Carbon-Oxynitride (BCNO). Bandung: Institut Teknologi Bandung.

Mulyadi. 2009. Teknologi LED Putih untuk Lampu Penerangan. Tersedia: http://himafis-untan.blogspot.com/2011/04/teknologi-led-putih-untuk-lampu.html (diakses pada tanggal 25 Desember 2012 pukul 14.00)

Murtopingah, Siti, dkk. 2011. Sintesis Nanomaterial Boron-Carbon-Oxynitride (BCNO). Bandung: Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Islam Negeri Sunan Gunung Djati.

Lephh. 2012. Spektrofotometer. Tersedia: http://www.scribd.com/doc/87296726/SPEKTROFOTOMETER (diakses pada tanggal 25 Desember 2012 pukul 13.33)

LAMPIRAN

Perbandingan Mol

Perbandingan mol yang digunakan dalam eksperimen ini adalah sebagai berikut:

Variasi massa Citric Acid

Sampel 1

Sampel 2

Sampel 3

Jika membutuhkan file nya silahkan download disini