catatan kecil si pemimpi

Oleh: Ulfah Choiriyah

Perkembangan teknologi lampu dioda (LED) menggunakan bahan inorganik yang fleksibel dan lentur telah mampu direalisasikan dengan menggunakan Seng Oksida (ZnO) yang berbentuk benang nano yang bertindak sebagai komponen optis. Dioda yang digunakan dalam hal ini adalah dioda cahaya ( ). Dioda cahaya atau lebih dikenal dengan sebutan LED (Light Emitting Diode) adalah suatu semikonduktor yang memancarkan cahaya monokromatik yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju. Gejala ini termasuk bentuk elektroluminesensi. Warna yang dihasilkan bergantung pada bahan semikonduktor yang dipakai, dan bisa juga ultraviolet dekat atau inframerah dekat.
Pembangkit Listrik dari Benang Nano
Seiring dengan perkembangan teknologi nano, kini beberapa grup riset yang terfokus mengembangkan teknologi nano sudah mampu membuat sebuah alat dari struktur nano untuk menghasilkan arus listrik, medan elektromagnetik, bahkan mampu mengeluarkan radiasi dalam orde subatomik. Alat berukuran nano yang mampu membangkitkan energi listrik disebut sebagai nanogenerator.
Riset tentang nanogenerator baru dilakukan oleh beberapa grup yang berkecimpung di dunia nano. Salah satunya adalah Georgia Institute of Technology, mereka sedang mengembangkan sebuah prototipe nanogenerator yang menggunakan struktur benang nano (nanowire) untuk menghasilkan listrik ketika wire dalam ukuran nano tersebut bergetar. Nanowire pada prototipe tersebut terbuat dari bahan ZnO (seng oksida), arus yang timbul dari nanowire tersebut adalah sebagai efek dari piezoelectric yaitu timbulnya sifat listrik akibat perubahan energi mekanis dari material. Desain dari nanogenerator tersebut hingga saat ini masih menjadi objek penelitian dan masih berada dalam tahap pengembangan. Para ilmuwan memprediksikan bahwa nanogenarator akan diperkenalkan ke publik kira-kira pada tahun 2010-2011.
Hingga saat ini mayoritas dari perangkat elektronik yang portable (contoh: jam tangan, dll), energinya masih sangat tergantung pada baterai. Saat ini para ilmuwan sedang mengembangkan dan mendemonstrasikan bagaimana sebuah perangkat elektronik mudah dan praktis dalam kebutuhan energinya. Hal tersebut dapat direalisasikan dengan metode pengembangkan teknologi benang nano (nanowire) dari bahan murah yaitu Seng Oksida (ZnO) yang dapat memproduksi energi mekanik yang cukup untuk dikonversikan menjadi energi listrik.
Prof. Zhong Lin Wang dari Georgia Tech mengilustrasikan bahwa bila kita berjalan kaki, maka daya listrik yang dihasilkan kira-kira oleh tubuh kita adalah 67 watt, gerakan jari-jari kita menghsilkan 0,1 watt dan pernapasan kita 1 watt. Apabila kita mampu mengkonversikan fraksi dari daya tersebut, maka tubuh kita mampu menjadi sumber energi untuk sebuah alat elektronik. Secara konseptual Prof. Zhong Lin Wang mampu mendemostrasikan konversi daya yang mungkin untuk sebuah alat mencapai 17 - 30 % dari total daya yang dihasilkan oleh tubuh kita.
Hasil dari penelitian di grup riset Prof. Zhong Lin Wang dapat mengkonfirmasi sebuah teori bahwa ZnO nanowire akan menunjukkan efek piezoelektrik yang sangat baik, yaitu menghasilkan sifat listrik dari respon tekanan mekanik. Biasanya muatan negatif dan positif dari ion Zinc dan Oksigen di dalam kristal ZnO nanowire saling meniadakan. Namun ketika wire secara kimiawi tumbuh di permukaan elektroda, wire tersebut membengkok akibat adanya vibrasi external dari tip yang berskala nano. Tip tersebut adalah tip dari Atomic Force Icroscopy (AFM) yang terbuat dari bahan silikon (Si) yang dilapisi oleh platina (Pt). Pembengkokan dari ZnO nanowire menyebabkan terjadinya dipol listrik di dalam sebuah nanowire.
Pada bagian yang mengalami kompresi bermuatan negatif sedangkan bagian yang terekspansi bermuatan positif. Hal itu disebabkan Zn2+ dan pole negatif akibat dari O-2. Maka dengan adanya kontak metal semikonduktor mengakibatkan adanya reaktifikasi Schotcky gap seperti pada jembatan semikonduktor tipe positif dan negatif (p-n junction). Kontak antara tip AFM dengan kutub yang bermuatan positif disebut forward bias dan sebaliknya tip AFM dengan kutub negatif disebut reverse bias.
Pada keadaan forward bias elektron akan mudah mengalir ke metal sebaliknya pada reverse bias elektron akan mengalami kesulitan. Fenomena itu dapat dilukiskan oleh grafik hubungan antara tegangan dan arus pada dioda, sedangkan mekanisme transport-nya dapat diilustrasikan secara mudah dengan melihat diagram energi antara metal dan semikonduktor.
Gambar a dan b adalah bentuk dari ZnO nanowire dan fenomena dihasilkannya arus listrik akibat kontak metal dan semikonduktor. Gambar a adalah nanowire dari ZnO yang mengkonversi energi mekanik menjadi listrik, gambar badalah listrik dihasilkan dari kontak metal (tip AFM) dan semikonduktor (ZnO nanowire).
Gambar disamping adalah sensor gula darah yang berada di bawah permukaan kulit manusia. Sungguh luar biasa perkembangan nanoteknologi saat ini, tidak terbayangkan bila hal itu terwujud maka dalam kurun waktu 5 tahun lagi, dimungkinkan kita dapat mengcharge ipod melalui sepatu atau baju kita yang sudah difasilitasi dengan sumber listrik dari ZnO nanogenerator.
Prof. Zhong Lin Wang menjelaskan pula, bahwa meskipun secara individual nanowire menghasilkan sebuah daya yang kecil, dengan banyaknya nanowire secara simultan akan menghasilkan jumlah daya yang besar. Beliau juga menjelaskan bahwa energi dari nanowire yang dikembangkan di laboratoriumnya disinyalir memiliki cukup energi untuk menjalankan implant medis berukuran kecil. Contoh dari implant tersebut adalah implant dari sensor gula darah di bawah permukaan kulit.
Lampu Dioda dari Hibridisasi Benang Nano Seng Oksida (ZnO) dengan Polimer Organik
Diawali oleh emisi sinar ultra violet (UV) dengan panjang gelombang 393 nm dari benang nano ZnO, para peneliti kini telah menemukan spektrum yang berada pada rentang cahaya tampak hingga mendekati sinar infra merah (500 - 1100 nm) mampu dihasilkan oleh LED yang berbasiskan benang nano dari ZnO.
Seperti pada gambar di atas yang merupakan diagram dari struktur LED berbasis benang nano pada substrat plastik. Penemuan ini di pelopori oleh Prof. Rolf Konenkamp dari Portland State University in Oregon. Hasil penemuannya melaporkan bahwa LED dari bahan inorganik diprediksikan menjadi alternatif masa depan untuk menggantikan semua perangkat elektronik dan photonik dari bahan organik.
Struktur dari alat LED berbasiskan benang nano yang lentur dapat di lihat pada gambar di atas. Dari gambar tersebut benang nano ZnO ditumbuhkan diatas substrat polyethylene terephtalate yaitu bahan plastik yang telah dilapisi oleh Indium Tin Okside (ITO).
Kristal tunggal benang nano tersebut ditumbuhkan dengan metode elektrodeposisi dengan temperature 80oC di atas ITO. Proses penumbuhan kira-kira memakan waktu satu jam dengan arah tumbuh vertikal dan homogeni. Dari hasil karakterisasi, panjang m dan diameter 70 - 120 nm. Lalu benang-benang  benang nano rata-rata 2 nano tersebut di lapisi dengan lapisan tipis polysterene sebagai isolator yang mengisi setiap celah diantara benang-benang nano. Lapisan tipis polysterene melapisi benang nano dengan ketebalan kira-kira 10 nm. Proses pengisian celah atau pelapisan benang-benang nano tersebut menggunakan metode spin coating. Lalu bagian atas dilapisi pula menggunakan poly (3,4-ethylene-dioxythiophene) poly (styrenesulfonate), PEDOT/PSS, selanjutnya dilapisi emas (sebagai kontak Ohmic) yang berperan sebagai anoda (elektroda positif).
Dari penelitian lebih lanjut, ternyata benang-benang nano ZnO tersebut melekat sangat kuat di atas substrat meskipun dibengkokan dengan jari-jari kelengkungan <10 μm.
Dari sisi intensitas cahaya yang diemisikan, LED benang nano yang berada di atas substrat plastik memancarkan cahaya dengan intensitas lebih rendah dibandingkan di atas substrat gelas. Namun demikian distribusi spektrum cahaya yang teramati dari elektroluminisensi memiliki kemiripan yaitu berada di rentang cahaya tampak.
Penemuan ini mengindikasikan bahwa hibridisasi teknologi nano dengan polimer organik memiliki potensi untuk dikembangkan dalam ranah aplikasi optoelektronika di masa depan. Sebagai generasi penerus, marilah bersama-sama kita pikirkan dan kita lanjutkan penemuan ini demi kehidupan dunia yang lebih baik.