Tugas 6 Part 3)
A. Definisi dan Proses Terjadinya Backscattered Electron (BSE)
2. Melalui diskusi dan informasi, mahasiswa dapat menjelaskan terjadinya Backscattered Electron (BSE) pada SEM dengan benar.
3. Melalui diskusi dan informasi, mahasiswa dapat menjelaskan hubungan gradasi terang- gelap pada image Backscattered Electron (BSE) dengan nomor atom penyusun sampel pada SEM dengan benar.
Uraian Materi
A. De finisi dan Proses Terjadinya Backscattered Electron (BSE)
Backscattered electron (BSE) merupakan salah satu spektrum hasil interaksi elekton-sampel, yang dipakai untuk menghasilkan image SEM. BSE dihasilkan dari elektron primer yang mengalami lentingan elastis terhadap sampel. Image yang dihasilkan BSE memiliki kesamaan dengan SE (Gambar 7.1) , yaitu berupa gambar monokrom dengan gradasi terang-gelap, namun image yang dihasilkan BSE menunjukkan perbandingan nomor atom penyusun sampel.
Apabila sebuah elektron dapat keluar dari volume interaksi, maka elektron dikatakan terhambur. Pada keadaan ini, elektron juga mengalami kehilangan energi dan perubahan arah. Keadaan terhambur dapat dibagi menjadi dua bagian, yatu hamburan elastis dan hamburan inelastis. Hamburan elastis terjadi pada elektron yang mengalami pelepasan energi sangat sedikit, atau bahkan tidak mengalami pelepasan energi sama sekali.
Pada hamburan inelastik ini, elektron primer dapat tidak mengalami perubahan arah . Hamburan yang kedua adalah hamburan inelastis. Pada hamburan ini, terjadi pertukaran elektron terhambur yang cukup besar, maksudnya elektron primer tetap masuk ke dalam sampel, namun elektron dari sampel akan tereksitasi dan terhambur keluar dari sampel. Elektron primer mengalami kehilangan energi yang cukup besar namun dapat tetap tidak mengalami perubahan arah.
Hamburan inelastis menentukan ukuran dan bentuk volume interaksi, sedangkan hamburan inelastik menentukan beragam karakteristik dari sampel.
Hamburan inelastik memberikan karakteristik dari elemen sampel dan informasi non spesifik , misalnya morfologi dan topologi. Spektrum yang dihasilkan dari tumbukan inelastik diantaranya, Secondary Electron (SE), elektron auger, X ray, radiasi gelombang panjang dan gelombang tampak, inframerah dan ultraviolet (cathodoluminescence), phonon dan plasmon. Adapun hamburan elastik diperlukan dalam menghasilkan Backscattered Electron (BSE) dan mengubah bentuk volume hamburan ( yaitu kedalaman lateral dari rasio ruang hamburan).
Ketika elektron primer bertumbukkan dengan atom-atom yang berada pada spesimen, elektron primer memberikan energi terhadap spesimen tersebut.
Dalam tumbukkan tersebut, elektron primer dapat mengalami kehilangan energi atau mengalami perubahan momentum. Ruang 3 dimensi dimana elektron primer memiliki energi yang cukup untuk berinteraksi dengan sampel disebut dengan volume interaksi (Gambar 7.2). Berdasarkan model volume interaksi elektron- sampel, BSE berada pada perut botol, yaitu bagian yang lebih dalam dari sampel (Gambar 2.16). BSE dapat mencapai kedalaman yang lebih besar karena energi yang dimilikinya sangat besar, yaitu lebih dari 50 kV. Dengan energi yang besar ini, BSE mampu melakukan penetrasi lebih dalam kedalam sampel.
Gambar 7. 1 Perbandingan image BSE dan SE
Sumber:
https://www.researchgate.net/profile/Dong_Gu/publication/275545331/figure/download/fig5/
AS:294562326171648@1447240539132/SEM-image-of-mesoporous-carbon-FDU-15.png
Gambar 7. 2 Diagram interaksi elektron-Material pada BSE terjadi pada kedalaman yang lebih besar dibandingkan dengan SE
Sumber:
https://www.uio.no/studier/emner/matnat/fys/MENA3100/v09/lecture_notes/24february09.pp t
Backscattered Electron (BSE) adalah elektron primer yang mengalami tumbukan elastis ketika berinteraksi dengan atom sampel (Gambar 7.3). BSE memiliki energi yang lebih besar, mendekati energi dari elektron primer yang mampu melakukan penetrasi lebih dalam ke sampel, hingga mendekati inti atom.
Sebelum terjadinya BSE, elektron primer telah mengalami tumbukan inelastik beberapa kali terhadap atom-atom sampel di bagian yang lebih atas dari permukaan sampel. Ketika lintasan elektron primer berada dekat dengan inti atom spesimen, maka lintasannya akan mengalami deviasi yang disebabkan karena terjadinya gaya coulomb.
BSE timbul jika elektron primer tertahan oleh medan elektromagnetik dari inti atom (nukleus) dan kemudian mengalami tumbukan lenting sempurna dengan sudut 180𝑜 terhadap arah datang mula-mula. Energinya yang besar membuat BSE tidak terpengaruh oleh medan listrik disekitarnya, sehingga lintasan BSE berbentuk lurus terhadap titik tumbukan. Sifat BSE dihasilkan dari hamburan elektron pada kedalaman yang signifikan di dalam sampel, membuat BSE dapat
memberikan informasi mengenai komposisi sampel. Semakin tinggi nomor atom, maka semakin besar luas permukaan inti atom.
Gambar 7. 3 Diagram terjadinya BSE-Tumbukan Elastis
Sumber: http://agussetiabudi.staf.upi.edu/files/2011/03/Bab-6-Teknik-Mikroskopy-SEM.ppt
Semakin luas permukaan inti atom, maka akan semakin banyak elektron primer yang mengalami hamburan balik (tumbukan elastis). Probabilitas hamburan elastis sebanding dengan nomor atom sampel (Z), karena semakin berat sebuat atom, maka akan semakin kuat muatan positif pada inti atom, dan energi elektronnya (tempat elektron ditemukan) akan semakin kecil. Semakin banyak elektron primer yang mengalami hamburan balik, maka akan semakin banyak BSE yang teremisi. Meski demikian, jumlah emisi BSE yang dihasilkan jauh lebih sedikit daripada SE. Hal ini disebabkan tidak semua elektron primer akan mengalami hamburan balik, ada pula elektron yang akan ditransmisikan. Jumlah emisi BSE dipengaruhi oleh beberapa hal berikut, diantaranya:
Tugas 7 (Part 1) Essay
1. Jelaskan bagaimana terbentuknya Backscattered Electron (BSE)!
Jawab
2. Jelaskanlah mengapa energi yang dimiliki oleh BSE sangat besar, namun jumlah elektronnya sedikit?
Jawab
3. Mengapa BSE memiliki lintasan lurus terhadap titik tumbukkan dan tidak dapat dibengkokkan?
Jawab
4. Bagian paling besar pada botol volume interaksi elektron-sampel ditunjukkan oleh spektrum apa? Mengapa?
Jawab
5. Bagaimana hubunganantara BSE dan nomor atom sampel?
Jawab
B. Image Backscattered Electron Pada SEM
Backscattered Electron (BSE) mengandung elektron berenergi tinggi yang berasal dari elektron primer yang mengalami tumbukan elestik dari atom sampel pada volume interaksi. Atom yang lebih berat (Z besar) akan menghasilkan BSE yang lebih besar energinya dibandingkan atom yang lebih ringan (Z kecil). Atom yang lebih berat tersebut akan menghasilkan image yang lebih terang jika dibandingkan dengan atom yang lebih ringan. Hal ini disebabkan pada atom dengan Z yang besar memiliki inti atom yang lebih pejal, sehingga elektron primer akan lebih mudah terhambur (Gambar 7.4)
Gambar 7. 4 Diagram hubungan kedalaman penetrasi elektron terhadap sampel yang dipindai terhadap energi mula mula elektron primer dan nomor atom
Sumber : Egerton, R. F. (2005). Physical principles of electron microscopy (p. 41). New York: Springer.
Dengan demikian image yang dihasilkan oleh BSE dapat digunakan untuk mendeteksi area yang memiliki komposisi yang berbeda (inhomogenitas).
Pemindaian BSE akan diperoleh image terang dan gelap yang menunjukkan nomor atom komposisi penyusun sampel (Gambar 7.5).
Jumlah BSE dipengaruhi oleh: (1) arah tumbukan elektron primer terhadap permukaan sampel; dan (2) ukuran inti atom penyusun sampel. Jumlah elektron BSE yang teremisi akan semakin banyak jika detektor BSE ditempatkan tepat tegak lurus dengan permukaan sampel. Semakin besar nomor atom penyusun sampel, maka jumlah BSE akan semakin besar pula. Semakin banyak jumlah BSE, maka gambar yang dihasilkan akan semakin terang. Sebaliknya,
Gambar 7. 5 Hubungan nomor atom dengan intensitas BSE
Sumber: https://www.jeol.co.jp/en/applications/pdf/sm/sem_atoz_all.pdf Gambar 7. 6 Gambar 7.6 Perbandingan Gambar SE dan BSE pada komposit Al2O3/Ni
Sumber: http://home.iitk.ac.in/~anandh/MME441/SEM.pdf
Dari gambar diatas diperoleh informasi bahwa image hasil BSE akan menampilkan unsur yang berbeda akan memiliki terang yang berbeda. Dari perbedaan terang-gelap yang dihasilkan oleh image BSE, dapat diperoleh informasi tentang inhomogenitas sampel. Unsur nikel pada gambar BSE lebih terang daripada alumunium oksida. Sedangkan pada gambar SE, unsur Ni tidak dapat dibedakan dari unsur lainnya, namun image SE memberikan informasi mengenai topografi dan morfologinya.
Resolusi image yang dihasilkan pada mode BSE terbatas oleh BSE yang diproduksi; resolusi terbatas pada elektron BSE yang dihasilkan.; resolusi image
primer yang dihasilkan. Energi BSE juga dapat memberikan informasi tentang energi SE yang terhambur dari sampel. Apabila energi yang dimiliki SE cukup tinggi, maka elektron primer terhambur sangat dekan dengan permukaan sampel Apabila BSE mengenai sampel yang sudah homogen namun memiliki ketidakteraturan, maka intensitas BSE akan menjadi lebih tinggi pada arah refleksi tegak lurus. Melalui sifat ini, membuat image sem mode BSE juga dapat digunakan untuk mengobservasi topografi permukaan (Gambar 7.7).
Gambar 7. 7 Image SEM dengan mode BSE pada sebuah lapisan magnet homogen pada hard disk
. Sumber: https://www.jeol.co.jp/en/applications/pdf/sm/sem_atoz_all.pdf
Dari gambar 7.7 menunjukkan sapmpel sudah dalam kedaan homogen yang ditandai dengan warna keabu-abuan yang merata. Nmun pada bagian yang ditandai dengan Read Sensor menunjukkan ada kontur yang berbeda yang terlihat dengan garis putih yang merupakan sensor baca pada hard disk. Permukaan sensor baca pada hard disk memiliki permukaan yang lebih tinggi daripada sekitarnya.
Permukaan yang lebih tinggi menghasilkan berkas pantulan dengan intensitas yang lebih tinggi.
Perubahan intensitas image SEM mode BSE pada sampel yang sudah homogen ditentukan oleh perubahan sudut pantul yang disebebkan oleh perbedaan topografi (Gambar 7.8). Dengan menggunakan sifat ini, image SEM dengan mode BSE juga dapat digunakan untuk menentukan perbedaan orientasi kristal pada sampel yang dipindai. Perbedaan orientasi kristal dengan menggunakan mode BSE diberikan pada Gambar 7.9.
Gambar 7. 8 Diagram Hubungan antara sudut datang elektron primer dengan intensitas BSE
Sumber: https://www.jeol.co.jp/en/applications/pdf/sm/sem_atoz_all.pdf
Gambar 7. 9 Image SEM pada mode BSE pada spesimen penampang lintang papan fleksibel.
Sumber: https://www.jeol.co.jp/en/applications/pdf/sm/sem_atoz_all.pdf
Dari Gambar 7.9 terlihatperbedaan ke-kontras-an yang disebut sebagai Electron Channeling Contrast (ECC). Electron Channeling Contrast (ECC) adalah perubahan kekontrasan pada image SEM mode BSE yang timbul akibat perubaan orientasi kristal yang terjadi pada sampel yang dipindai. Dengan demikian, apabila BSE memndai sampel yang sudah homogen, maka image mode BSE dapat digunakan untuk mendeteksi perbedaan orientasi kristal sampel.
Tugas 7 (Part 2)