Ulasan Jurnal Growth of 3D-Flower/Glass-Like Meal Oxide Nanoarchitecture Based on Catalyst-Assisted Oxidation Method

Pemaparan Masalah:

Cu₂O dan ZnO merupakan material yang telah banyak diteliti karena dinilai memiliki karakteristik yang unik dalam berbagai pemanfaatan seperti solar sel, fotokatalis, sifat optik, magnet dan listriknya. Cu₂O merupakan semikonduktor tipe-p sedangkan ZnO bertipe-n dengan masing-masing band gap sebesar 2.17 eV dan 3.37 eV. Dalam penelitian, pembuatan nanoarsitektur Cu₂O dan ZnO telah banyak menarik perhatian peneliti karena arsitektur, termasuk di dalamnya geometri, morfologi dan struktur hiarikal menjadi efek yang krusial dalam mikro/nano semikonduktor. Namun, metode sintesis seperti metode pelarutan kimia atau teknik lainnya yang ada saat ini memerlukan sejumlah bahan kimia yang akurat cukuplah kompleks, mahal, dan membutuhkan tahapan riset yang rumit bagi sintesis Cu₂O dan ZnO berstruktur bunga (Cu₂O atau ZnO FGLNAs; Flower/Grass-Like Nanoarchitectures).

Pemaparan Solusi:

Sintesis Cu₂O dan ZnO berstruktur bunga  dilakukan melalui penggunaan metode Thermal Oxidaton Stress-induced Method atau TOS melalui pengontrolan suhu sistem dan prekursor berupa serbuk. Selain itu, untuk mengetahui keumuman penggunaan metode TOS ini, dilakukan pula verifikasi melalui sintesis material melalui prekursor serbuk Al dan kemudian mengetahui pengaruh densitas atom dari masing-masing material oksida logam dalam penelitian ini pun telah dilakukan.

Pemaparan Hasil:

Berdasarkan Gambar 1, ukuran yang dihasilkan dari masing-masing struktur Cu₂O, ZnO dan Al nanowires adalah 350-900 nm, 9-17 μm, dan 120 nm. Dalam sebuah sesi penelitian, tidak ditemukan pertumbuhan FGLNAs saat kondisi penelitian pada lingkungan vakum, tanpa katalis atau kondisi humidity dibawah 55% atau lebih besar dari 75%. Pembuktian lainnya dilakukan melalui investigasi menggunakan EDS yang menunjukkan bahwa nanoarsitektur Cu₂O berstruktur rumput terdiri atas 30.95% elemen Cu dan 68.30% elemen oksigen, sedangkan nanoarsitektur ZnO berstruktur bunga terdiri atas 58.26% elemen Zn dan 41.74% elemen oksigen.

Gambar 1. Cu₂O berstruktur rumput (a), ZnO berstruktur bunga (b) dan Al nanowires (c) pada suhu 150°C pada humidity 55%-75%.

Mekanisme pembentukan struktur rumput pada Cu₂O dipengaruhi oleh 3 faktor yakni Tangential Compressive Sress (TCS), Tangential Tensile Sress (TTS), dan Radial Stress Gradient (RSG). Tensile Stress (TS) dan Compressive Stress (CS) sangat berakitan dengan formula Pilling-Bedworth Ratio atau PBR dimana menunjukkan penentuan stress atau tegangan pada lapisan oksida. Saat PBR>1 maka CS muncul pada lapisan oksida, namun sebaliknya jika PBR<1 maka TS muncul pada lapisan. Berdasarkan penelitian ini, volume yang semakin besar dari lapisan Cu₂O dan ZnO maka lapisan Cu₂O mengalami TCS dari inti seperti ilustrasi Gambar 2.

TTS muncul karena gaya reaktif dari TCS pada lapisan oksida, terjadi di bagian terdalam serbuk Cu pada antarmuka lapisan Cu₂O dengan inti. Hal ini pun akan memicu pembentukan RSG di sepanjang ketebalan serbuk lapisan. RSG ada sebagai akibat gaya migrasi atom Cu dari pusat serbuk Cu ke antarmuka diantara lapisan oksida dan inti Cu.

Gambar 2. Ilustrasi mekanisme pertumbuhan

Mula-mula, pada temperatur yang relatif rendah (150°C) menyebabkan kecepatan oksidasi permukaan relatif rendah sehingga Cu₂O yang terbentuk pada serbuk Cu adalah sangat tipis dan RSG tidak cukup besar sehingga tidak mampu mempenetrasi lapisan oksida. Ketika temperatur menaik,  lapisan Cu₂O menjadi semakin lebar sehingga menghasilkan RSG yang besar. Namun, di lain pihak TCS pada lapisan oksida menyulitkan atom Cu untuk penetrasi melewati lapisan oksida pada titik-titik lemah pada permukaan. Sebagai akibatnya, atom Cu terakumulasi di bawah lapisan oksida dimana atom Cu yang cukup mampu memecahkan keseimbangan dan sejumlah besar atom Cu mampu mempenetrasi lapisan oksida melewati titik lemah dengan sekejap. Saat pertumbuhan FGLNAs berlangsung, BOICBs atau Bivalent Oxygen Ions with Two Chemical Bond yang dihasilkan dari uap air selama proses penyerapan hidrogen ada sebagai sebuah inti aktif dalam pertumbuhan morfologi masing-masing material uji.

Gambar 3. Ilustrasi mekanisme migrasi (a) Overlapping Migration (OLM) atom Cu dan (b) Toothpaste Squeezing Migration (TSM) atom Al.

Uji mekanisme pertumbuhan nanoarsitektur membuktikan bahwa migrasi atom Cu dan Zn adalah Overlapping Migration atau OLM sedangkan atom Al menunjukkan Toothpaste Squeezing Migration atau TSM yang ditunjukkan oleh Gambar 3. Migrasi jenis OLM, selama pertumbuhan atom yang lama akan tertutupi oleh atom yang baru sehingga terlihat seperti overlapping atau tumpang tindih. Migrasi OLM terjadi sebelum penetrasi melewati lapisan oksida, atom Cu disusun sesuai dengan Gambar 3a, dimana ditunjukkan dengan warna kuning, biru dan hijau dari atas ke bawah. Setelah penetrasi, pemisahan atom-atom Cu terjadi sebaliknya. Sedangkan TSM pada Al terjadi sebaliknya dibandingkan dengan migrasi jenis OLM, sebelum penetrasi melewati lapisan oksida, atom Al disusun sesuai dengan Gambar 3b, dimana ditunjukkan dengan warna kuning, biru dan hijau dari atas ke bawah. Setelah penetrasi, atom-atom berada dalam keadaan yang sama seperti sebelum penetrasi.

Melalui perhitungan yang dikemukakan dalam penelitian ini, didapatkan bahwa Cu₂O, ZnO dan Al₂O₃ memiliki masing-masing densitas atom sebesar 0.125 mol/cm³, 0.194 mol/cm³, dan 0.138 mol/cm³. Densitas atom yang besar ini bagi Al, membuat atom Al sulit mempenetrasi lapisan oksida yang terbentuk pada permukaan sehingga membentuk mekanisme pembentukan struktruk bertipe TSM atau Toothpaste Squeezing Mechanism.