Tugas 2 Part 4)
A. SEM dan Mikroskop Optik
1. SEM dalam nanoteknologi
Scanning Electron Microscope (SEM) adalah sebuah mikroskop yang melakukan pemfokusan pancaran tinggi elektron (electron beam) pada sebuah permukaan untuk melakukan pemindaian (scanning) terhadap permukaan material. SEM bekerja menggunakan berinteraksi dengan atom-atom pada sampel. Dari hasil interaksi akan dihasilkan elektron pantulan yang menghasilkan sinyal yang berisi informasi tentang topografi, morfologi, dan komposisi permukaan material. Hasil pemindaian SEM berupa gambar 3 dimensi dari permukaan sampel yang dipindai. Scanning dilakukan melalui Secondary Electron dan Backscattered Electron (BSE). Scanning dapat dilakukan melalui scanning point dan mapping. Set peralatan SEM dilengkapi dengan Energy Dispersive Spectometer (EDX), sehingga dapat mendeteksi komponen/ unsur yang terdapat pada sampel.
Penggunaan SEM banyak digunakan diberbagai bidang mulai dari biologi hingga teknik material, dengan resolusi hingga 1 nm dan perbesaran 1.000.000x. Adapun fungsi dari instrumen SEM, antara lain untuk memperoleh informasi tentang :
Topografi adalah sebuah studi yang mempelajari relief permukaan berupa image tiga dimensi. Objek dari topografi adalah koordinat suatu bagian permukaan. Topograi material yang menjadi sampel pemindaian SEM dapat berupa bentuk permukaan dan teksturnya (kekerasan, sifat memantulkan cahaya, keberadaan crack). Dari informasi mengenai topografi ini, SEM dapat digunakan di berbagai terapan keilmuan, mulai dari mengamati permukaan sel hingga nanomaterial (dalam bentuk keramik ,logam dan komposit), mengukur ketebalan dan celah (crack) specimen skala nano.
b. Morfologi
Instrumen SEM memindai morfologi permukaan sampel, yaitu bentuk dan ukuran dari komponen penyusun objek (misalnya grain, grain boundary, pori dan defect)
c. Komposisi
Instrumen SEM dapat menganalisis komposisi spot atau keseluruhan sampel yang dipindai, yaitu data kuantitatif unsur dan senyawa yang terkandung dalam objek.
Salah satu instansi pemerintah yang menyediakan instrumen SEM adalah LIPI Serpong, dengan spesifikasi alat Hitachi SU 3500 (Gambar 3.1) yang dapat dioperasikan pada kondisi low vacuum. Pengoperasian pada keadaan low vacuum dilakukan untuk sampel-sampel yang non konduktif, untuk menghindari efek charging yang dapat merusak image yang dihasilkan (damage). Set peralatan SEM ini dilengkapi dengan Energy Dispersive Spectometer (EDX). Perbesaran maksimal dari peralatan SEM ini hingga 300.000x.
Gambar 3. 1 Set Instrumen SEM di LIPI kawasan Puspiptek-Serpong
Sebuah set instrumen SEM terbagi atas dua unit, yaitu kolom dan display.
Kolom (Gambar 3.2) adalah tempat pemindaian sampel menggunakan berkas elektron. Energi yang digunakan untuk melakukan scanning berasal dari electron beam yang dihasilkan oleh sebuah filamen pada electron gun (Gambar 3.2).
Gambar 3. 2 Bagian kolom SEM
Sumber:
http://labs.csb.utoronto.ca/hong/HITACHI/SU3500%20Easy%20Operation%20Guide%203rd
%20Edt%20Feb_2014.pdf
Secara umum, electron gun yang digunakan adalah tungsten hairpin gun dengan filamen berupa lilitan tungsten yang berfungsi sebagai katoda. Tegangan diberikan kepada lilitan yang mengakibatkan terjadinya pemanasan. Anoda kemudian akan membentuk gaya yang dapat menarik elektron melaju menuju ke anoda.
Electron beam kemudian difokuskan ke suatu titik pada permukaan sampel dengan menggunakan dua buah condenser lens. Condenser lens kedua (atau biasa disebut dengan lensa objektif) memfokuskan beam dengan diameter yang sangat kecil (~10-20 nm). Pada perangkat SEM terdapat dua macam pemindaian berdasarkan jenis hamburan elektron, yaitu Secondary Electron (SE) atau Back Scattered Electron (BSE). SE untuk memindai struktur permukaan, BE untuk memindai struktur permukaan dan infornasi elemen rata-rata permukaan sampel kemudian dideteksi oleh detektor dan dimunculkan dalam bentuk gambar di bagian display (Gambar 3.3).
Gambar 3. 3 Bagian display SEM
Sumber:
http://labs.csb.utoronto.ca/hong/HITACHI/SU3500%20Easy%20Operation%20Guide%203rd
%20Edt%20Feb_2014.pdf
Resolusi yang dihasilkan dari gambar hasil pemindaian SEM adala 1 nm.
Prinsip kerja bagian kolom SEM lebih lanjut diberikan pada Modul berikutnya.
2. SEM dan Mikroskop Optik
Penggunaan mikroskop optik dimulai melalui mikroskop cahaya, dengan memanfaatkan rangkaian lensa (minimal lensa objektif dan lensa okuler (Gambar 3.4). Upaya untuk menghasilkan bayangan yang lebih baik dengan perbesaran yang lebih tinggi kemudian dilakukan pada mikroskop optik, diantaranya pengembangan kualitas lensa, peng-imersi-an minyak dan penggunaan panjang gelombang yang pendek.
Namun upaya ini ternyata menemui kebuntuan, yaitu mikroskop optik hanya mampu menghasilkan bayangan pada skala ~0,1 𝜇m. Seiring dengan berkembangnya teori “Dualisme Gelombang-Partikel”, maka ditemukanlah suatu instrumen yang dapat menghasilkan bayangan dengan perbesaran hingga ke skala nano yaitu Scanning Electron Microscope (SEM).
Gambar 3. 4 Diagram Mikroskop Optik
Sumber: http://www.emu.uct.ac.za/intro-em-biologists-lecture-1
Prototipe SEM pertama kali dibuat oleh dua ilmuwan Jerman, Max Knoll dan Manfres von Ardenne pada tahun 1931. SEM menghasilkan gambar yang lebih tajam jika dibandingkan dengan mikroskop optik (Gambar 3.5). Gambar 1.8 adalah gambar sebuah sampel rangka dari mikro organisme laut Trochodiscus longispinus. Dengan perbesaran yang sama, image yang dihasilkan oleh SEM lebih detail jika dibandingkan dengan mikroskop optik.
Gambar 3. 5 a) Image sampel Trochodiscus longispinus dari SEM; b) Image sampel dari Mikroskop Optik
a) b)
Sumber : http://www.physics.nus.edu.sg/~phygaoxy/8SEMSTMetc.ppt
Gambar yang lebih detail dan tajam tersebut dihasilkan karena SEM
tinggi jika dibandingkan dengan mikroskop optik (Tabel 3). Kedalaman medan yang tinggi pada SEM membuat banyak bagian pada sampel yang dapat difokuskan pada satu waktu dan menghasilkan image tiga dimensi yang representatif. Resolusi yang tinggi pada SEM juga menunjukkan gambar yang nyaris mendekati aslinya pada perbesaran yang lebih tinggi.
Tabel 3Perbandingan perbesaran, kedalaman medan dan resolusi SEM dan Mikroskop Optik
Perbesaran Kedalaman Medan (Depth of View)
Resolusi
SEM 10x –
3.000.000x
4mm – 0.4mm 1-10nm
Mikroskop Optik 4x – 1.000x 15.5mm – 0.19mm ~ 0.2mm Kombinasi antara perbesaran dan kedalaman medan yang besar, tingginya resolusi, serta kemampuan SEM untuk mendeteksi komposisi kristal mengakibatkan menjadi instrumen yang sangat diperlukan dalam dunia nanoteknologi (riset dan industri).