STUDI KAPASITANSI KUANTUM BERBASIS DFT PADA GRAFENA DAN GRAFENA TERHIDROGENASI (SUPERSEL 1×1): ANALISIS MENGGUNAKAN SIMULASI QUANTUM ESPRESSO
-
Albert Zicko Johannes(1*)
Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Teknik, Universitas Nusa Cendana
https://orcid.org/0000-0002-8969-0698
-
Jonshon Tarigan(2)
Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Teknik, Universitas Nusa Cendana
-
Agustinus D Betan(3)
Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Kupang
-
Hery L Sianturi(4)
Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Teknik, Universitas Nusa Cendana
(*) Corresponding Author
Abstract
Telah dilakukan studi kapasitansi kuantum daari grafena (Graphene) dan grafena terhidrogenasi (Graphane) menggunakan simulasi teori fungsional kerapatan (DFT) yang dilakukan dengan bantuan aplikasi Quantum Espresso (QE). Graphene, graphane, dan graphene terhidrogenasi sebagian (adatom hidrogen 50%) dimodelkan menggunakan struktur supersel 1×1. Langkah pertama yang dilakukan dalam perhitungan adalah optimasi struktural untuk mendapatkan geometri yang stabil. Selanjutnya, dilakukan perhitungan kerapatan keadaan elektronik (DOS) untuk mengetahui sifat elektronik dari setiap struktur. Kapasitansi kuantum dan kerapatan muatan permukaan kemudian dihitung pada daerah potensial listrik -1 V s/d 1 V. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa Graphene memiliki sifat konduktivitas semi-metal dengan titik Dirac pada tingkat energi Fermi, Selain itu Graphene menghasilkan kapasitansi kuantum sebesar 31.42 – 35.85 µF/cm². Pada Graphene tehidrogenasi 50% terbentuk celah pita energi (semikonduktor) sebesar 1,07 eV karena akibat perubahan ikatan sp2 menjadi sp3 . Hal ini mengakibatkan peningkatan nilai kapasitansi kuantum dibandingkan dengan Graphene murni yaitu sebesar 52.06 – 55.19 µF/cm². Sebaliknya, Graphane menunjukkan celah pita energi lebar yang menekan keadaan elektronik didekat tingkat energi Fermi dan mengakibatkan nilai kapasitansi kuantum sampai mendekati 0. Penelitian ini menunjukkan bahwa fungsionalisasi hidrogen yang terkontrol ssecara efektif dapat mengatur nilai kapasitansi kuantum material khususnya Graphene. Hidrogenasi yang terkontrol pada Graphene merupakan potensi yang menjanjikan dalam pemanfaatannya sebagai material elektroda superkapasitor.
Downloads
References
2 Bakandritsos A, Jakubec P, Pykal M, Otyepka M. 2019. Covalently functionalized graphene as a supercapacitor electrode material. FlatChem. 13: 25.
3 Tran TX, Choi H, Che CH, Sul JH, Kim IG, Lee SM, Kim JH, In J Bin. 2018. Laser-Induced Reduction of Graphene Oxide by Intensity-Modulated Line Beam for Supercapacitor Applications. ACS Appl. Mater. Interfaces. 10(46): 39777.
4 Pereira GFL, Fileti EE, Siqueira LJA. 2023. Performance of supercapacitors containing graphene oxide and ionic liquids by molecular dynamics simulations. Carbon N. Y. 208: 102.
5 Qiu H, Wu X, Hong R, Wu G, Chen S, Hong R. 2020. Microfluidic-Oriented Synthesis of Graphene Oxide Nanosheets toward High Energy Density Supercapacitors. Energy and Fuels. 34(9): 11519.
6 Tsai WY, Lin R, Murali S, Li Zhang L, McDonough JK, Ruoff RS, Taberna PL, Gogotsi Y, Simon P. 2013. Outstanding performance of activated graphene based supercapacitors in ionic liquid electrolyte from −50 to 80 °C. Nano Energy. 2(3): 403.
7 Hassan JZ, Raza A, Din Babar ZU, Qumar U, Kaner NT, Cassinese A. 2023. 2D material-based sensing devices: an update. J. Mater. Chem. A Mater. 11(12): 6016.
8 Sulleiro MV, Dominguez-Alfaro A, Alegret N, Silvestri A, Gómez IJ. 2022. 2D Materials towards sensing technology: From fundamentals to applications. Sens. Biosensing Res. 38: 100540.
9 Nouchi R, Tanigaki K. 2010. Charge-density depinning at metal contacts of graphene field-effect transistors. Appl. Phys. Lett. 96(25): 1.
10 Mortazavi B, Rahaman O, Makaremi M, Dianat A, Cuniberti G, Rabczuk T. 2017. First-principles investigation of mechanical properties of silicene, germanene and stanene. Physica E Low. Dimens. Syst. Nanostruct. 87: .
11 Liu C-C, Feng W, Yao Y. 2011. Quantum Spin Hall Effect in Silicene. .
12 Giovannetti G, Khomyakov PA, Brocks G, Karpan VM, Van Den Brink J, Kelly PJ. 2008. Doping graphene with metal contacts. Phys. Rev. Lett. 101(2): 3.
13 Neto AHC, Guinea F, Peres NMR, Novoselov KS, Geim AK. 2009. The electronic properties of graphene. Rev. Mod. Phys. 81(1): 109.
14 Johannes AZ, Gerard AM, Tarigan J. Analisis Komparatif Kapasitansi Kuantum Material Dua Dimensi : Studi Dft pada Grafena dan Grafena Terdoping Silikon (Supersel 1x1) PROSIDING SEMINAR NASIONAL SAINSTEK VII 2025 “Inovasi Teknologi untuk Mendukung Pembangunan Berkelanjutan Berbasis Green Economy dan Blue Economy di Wilayah 3T. Fakultas Sains dan Teknik, Universitas Nusa Cendana, Kota Kupang. pp 157–62.
15 Sanglaow T, Prasert K, Chanthad C, Liangruksa M, Sutthibutpong T. 2024. A DFT study on the fundamental mechanisms of quantum capacitance enhancement within the carbon-based electrodes through different classes of doped configurations from biomass-derived elements. Results in Materials. 21: .
16 Paz KAC, Chua SLB, Villagracia AR, David M. Density Functional Theory Calculations of Quantum Capacitance and Total Surface Charge of Graphene with Varying Supercells DLSU Research Congress 2022. De La Salle University, Manila.
17 Xu Q, Yang G, Fan X, Zheng W. 2019. Improving the Quantum Capacitance of Graphene-Based Supercapacitors by the Doping and Co-Doping: First-Principles Calculations. .
18 Truong, Lee. 2013. Graphene From Fundamental to Future Application. South Korea: Chonbuk National University. .
19 Şahin H, Ataca C, Ciraci S. 2010. Electronic and magnetic properties of graphane nanoribbons. Phys. Rev. B Condens. Matter Mater. Phys. 81(20): .
20 Lebègue S, Klintenberg M, Eriksson O, Katsnelson MI. 2009. Accurate electronic band gap of pure and functionalized graphane from GW calculations. Phys. Rev. B Condens. Matter Mater. Phys. 79(24): .
21 Ao Z, Li S. Hydrogenation of Graphene and Hydrogen Diffusion Behavior on Graphene/Graphane Interface J R Gong, ed. intechopen.
22 Brummans N. 2015. Hydrogen Covered Graphene. (June): .
23 Petrushenko IK. 2018. DFT Calculations of Hydrogen Adsorption inside Single-Walled Carbon Nanotubes. Advances in Materials Science and Engineering. 2018: .
24 Xiang C, Li A, Yang S, Lan Z, Xie W, Tang Y, Xu H, Wang Z, Gu H. 2019. Enhanced hydrogen storage performance of graphene nanoflakes doped with Cr atoms: A DFT study. RSC Adv. 9(44): 25690.
25 Johannes AZ. 2018. Simulasi Perubahan Densitas Muatan Adsorpsi Atom Hidrogen-Grafena Dengan Teori Fungsi Kerapatan. Jurnal Fisika : Fisika Sains dan Aplikasinya. 3(3): 179.
26 Johannes AZ. 2018. Simulasi Perubahan Densitas Muatan Adsorpsi Atom Hidrogen-Grafena Dengan Teori Fungsi Kerapatan. Jurnal Fisika : Fisika Sains dan Aplikasinya. 3(3): 179.
27 Johannes AZ, Sc B, Sc M. 2009. Molecular Dynamic Modeling of Plasma Charge Density in Simple Systems. 2009.
28 Giannozzi P. 2012. Quantum simulations of materials using quantum ESPRESSO. .
29 Giannozzi P et al. 2009. QUANTUM ESPRESSO: A modular and open-source software project for quantum simulations of materials. Journal of Physics Condensed Matter. 21(39): .
30 Kristian Pingak R, Harbi A, Bouhmaidi S, Nitti F, Moutaabbid M, Setti L, Zicko Johannes A, U. J. Hauwali N. 2024. Vacancy-ordered CsRbGeCl6 and CsRbGeBr6 perovskites as new promising non-toxic materials for photovoltaic applications: A DFT investigation. Chem. Phys. 584:
31 Pingak RK, Ngara ZS, Johannes AZ, Bukit M, Tanesib JL, Nitti F, Sianturi HL, Pasangka B. 2024. DFT Insights into the Structural, Mechanical, Electronic and Optical Properties of Novel InZnCl3 and InCdCl3 Chloro-Perovskites. Indonesian Journal of Chemistry. 24(5): 1412.
Copyright (c) 2026 Jurnal Fisika : Fisika Sains dan Aplikasinya
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
Published By 
Jl. Adisucipto, Penfui-Kupang, Lasiana, Klp. Lima, Kota Kupang, Nusa Tenggara Timur., Indonesia
This work is licensed under Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0)
