BAB I PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
Berbicara tentang teknologi nano, maka tidak akan bisa lepas dari mikroskop, yaitu alat pembesar untuk melihat struktur benda kecil tersebut. (Teknologi (Teknologi nano : teknologi yang berbasis pada struktur benda berukuran nano nano meter. Satu nano meter = sepermilyar meter). Tentu yang dimaksud di sini bukanlah mikroskop biasa, t etapi mikroskop yang mempunyai tingkat ketelitian (resolusi) tinggi untuk melihat struktur berukuran nano meter. Untuk melihat benda berukuran di bawah 200 nanometer, diperlukan mikroskop dengan panjang gelombang pendek. pendek. Dari ide inilah, di tahun 1932 lahir mikroskop mikroskop elektron. Sebagaimana namanya, mikroskop elektron menggunakan sinar elektron yang panjang gelombangnya lebih pendek dari cahaya. Karena i tu, mikroskop elektron mempunyai kemampuan pembesaran obyek (resolusi) yang lebih tinggi dibanding mikroskop optik. Sebenarnya, dalam fungsi pembesaran obyek, mikroskop elektron juga menggunakan lensa,namun bukan berasal dari jenis gelas sebagaimana pada mikroskop optik, tetapi dari jenismagnet. Sifat medan magnet ini bisa mengontrol mengontrol dan mempengaruhi elektron yang melaluinya, sehingga bisa berfungsi menggantikan sifat lensa pada mikroskop optik. Kekhususan lain dari mikroskop elektron ini adalah pengamatan obyek dalam kondisi hampa udara (vacuum). Hal ini dilakukan karena sinar elektron akan terhambat al irannya bilamenumbuk molekul-molekul yang yang ada di udara normal. Dengan membuat ruang ruang pengamatan obyek berkondisi berkondisi vacum, tumbukan elektron-molekul bisa terhindarkan ( Oktaviana, 2009 ). Salah satu jenis dari mikroskop electron adalah SEM atau scanning electron microscopes. Mikroskop ini banyak digunakan oleh para ilmuan untuk melihat struktur kecil pada mahkluk hidup. hidup. Sebuah SEM khas memiliki kemampuan untuk menganalisa suatu sampel tertentu menggunakan salah satu metode yang disebutkan di atas. Sayangnya, setiap jenis analisis dianggap merupakan tambahan perangkat aksesori untuk SEM.Yang paling umum aksesori dilengkapi dengan SEM adalah dispersif energi x-ray detektor atau EDX (kadang-kadang
1
disebut sebagai EDS). Jenis detektor memungkinkan pengguna untuk menganalisis sampel komposisi molekul. Pada makalah ini akan dibahas lebih lengkap tentang SEM dan struktur-struktur yang membantu kerja mikroskop ini.
1.2.
Rumusan Masalah
Berdasarkan pemikiran yang tertuang di latar belakang, maka dapat dirumuskan beberapa hal sebagai berikut:
a. b.
Apa sajakah komponen-komponen yang terdapat di dalam SEM ? Apa fungsi dari komponen-komponen tersebut ?
c.
Bagaimana prinsip kerja SEM ?
d.
Bagaimana cara menginterpretasi data yang dihasilkan SEM ?
1.3.
Tujuan
Tujuan yang ingin dicapai penulis dalam pembuatan makalah ini adalah : a.
Dapat mengetahui komponen-komponen di dalam SEM
b.
Dapat mengetahui fungsi dari SEM
c.
Dapat mengetahui prinsip kerja SEM
d.
Dapat mengetahui bagaimana cara menginterpretasi data yang dihasilkan oleh SEM
1.4.
Manfaat
Dari penulisan makalah ini dapat didapatkan beberapa manfaat, sebagai berikut: a.
Memberi informasi tentang kegunaan SEM
b.
Mengetahui komponen-komponen, fungsi, serta proses dan prinsip kerja SEM
2
BAB 2 LANDASAN TEORI
2.1.
Sejarah Penemuan
Di tahun 1932 lahir mikroskop elektron. Sebagaimana namanya, mikroskop elektron menggunakan sinar elektron yang panjang gelombangnya lebih pendek dari caha ya. Karena itu, mikroskop elektron mempunyai kemampuan pembesaran obyek (resolusi) yang lebih tinggi dibanding mikroskop optik. Konsep awal yang melibatkan teori scanning mikroskop elektron pertama kali diperkenalkan di Jerman (1935) oleh M. Knoll.Konsep standar dari SEM modern dibangun oleh von Ardenne pada tahun 1938 yang ditambahkan scan kumparan ke mikroskop elektron transmisi.Desain SEM dimodifikasi oleh Zworykinpada tahun 1942 ketika bekerja untuk RCA Laboratories di Amerika Serikat.Desain kembali direkayasa oleh CW pada t ahun 1948 seorang profesor di Universitas Cambridge.Sejak itu,semakin banyak bermunculan kontribusi signifikan yang mengoptimalkan perkembangan modern mikroskop elektron. Fungsi mikroskop elektron scanning atau SEM adala h dengan memindai terfokus balok halus elektron ke sampel. Elektron berinteraksi dengan sampel komposisi molekul. Energi dari elektron menuju ke sampel secara langsung dalam proporsi jenis interaksi elektron yang dihasilkan dari sampel. Serangkaian energi elektron terukur dapat dihasilkan yang dianalisis oleh sebuah mikroprosesor yang canggih yang menciptakan gambar tiga dimensi atau spektrum elemen yang unik yang ada dalam sampel dianalisis.Ini adalah rangkaian elektron yang dibelokkan oleh tumbukan dengan elektron sampel.Sebelum menjelajahi jenis elektron dihasilkan oleh SEM khas, pemahaman dasar dari teori elemen yang dikelilingi diklasifikasikan tabel periodik perlu disebutkan.
3
2.2.
Komponen
Pada sebuah mikroskop elektron (SEM) terdapat beberapa peralatan utama antara lain: 1. Pistol elektron, biasanya berupa filamen yang terbuat dari unsur yang mudah melepas
elektron misal tungsten. Ada dua tipe dari elektron Gun, yaitu: a. Termal Pada emisi jenis ini, energi luar yang masuk ke bahan ialah dalam bentuk energi panas. Oleh elektron energi panas ini diubah menjadi energi kinetik. Semakinbesar panas yang diterima oleh bahan maka akan semakin besar pula kenaikan energi kinetik yang terjadi pada elektron, dengan semakin besarnya kenaikan energi kinetik dari elektron maka gerakan elektron menjadi semakin cepat dan semakin tidak menentu. Pada situasi inilah akan terdapat elektron yang pada ahirnya terlepas keluarmelalui permukaan bahan. Pada proses emisi thermionic dan juga pada proses emisilainnya, bahan yang digunakan sebagai asal ataupun sumber elektron disebut sebagai "emiter" atau lebih sering disebut "katoda" (cathode), sedangkan bahan yangmenerima elektron disebut sebagai anoda. Dalam konteks tabung hampa (vacuumtube) anoda lebih sering disebut sebagai "plate". Dalam proses emisi thermionic dikenal dua macam jenis katoda yaitu : a) Katoda panas langsung (Direct Heated Cathode, disingkat DHC) b) Katoda panas tak langsung (Indirect Heated Cathode, disingkat IHC) Pada katoda jenis ini katoda selain sebagai sumber elektron juga dialiri oleh arus heater (pemanas). Material yang digunakan untuk membuat katoda diantaranya adalah Tungsten Filamen. Material ini adalah material yang pertama kali digunakan orang untuk membuatkatode. Tungsten memiliki dua kelebihan untuk digunakan sebagai katoda yaitumemiliki ketahanan mekanik dan juga titik lebur yang tinggi (sekitar 3400 derajatCelcius), sehingga tungsten banyak digunakan untuk aplikasi khas yaitu tabung XRayyang bekerja pada tegangan sekitar 5000V dan temperature tinggi. Akan tetapi untuk aplikasi yang umum terutama untuk aplikasi Tabung Audio dimana tegangankerja dan temperature tidak terlalu tinggi maka tungsten bukan material yang ideal,hal ini disebabkan karena tungsten memilik fungsi kerja yang tinggi( 4,52 eV) danjuga temperature kerja optimal yang cukup tinggi (sekitar 2200 derajat celci us). b. Field emission Pada emisi jenis ini yang menjadi penyebab lepasnya elektron dari bahan ialah adanya gaya tarik medan listrik luar yang diberikan pada bahan. Pada katoda yangdigunakan pada 4
proses emisi ini dikenakan medan listrik yang cukup besarsehingga tarikan yang terjadi dari medan listrik pada elektron menyebabkanelektron memiliki energi yang cukup untuk lompat keluar dari permukaan katoda.Emisi medan listrik adalah salah satu emis i utama yang terjadi pada vacuum tube selain emisi thermionic. 2. Lensa Magnetik
Lensa magnetik yang digunakan yaitu dua buah condenser lens. Condenser lens kedua (atau biasa disebut dengan lensa objektif) memfokuskan electron dengan diameter yang sangat kecil, yaitu sekitar 10-20 nm. 3.
Sistem Vakum
Karena elektron sangat kecil dan ringan maka jika ada molekul udara yang lain elektron yang berjalan menuju sasaran akan terpencar oleh tumbukan sebelum mengenai sasaran sehingga menghilangkan molekul udara menjadi sangat penting. 4. Detektor
SEM memiliki beberapa detektor yang berfungsi untuk menangkap hamburan elektron dan memberikan informasi yang berbeda-beda. Detektor-detektor tersebut antara lain: - Backscatter detector, yang berfungsi untuk menangkap informasi mengenai nomor atom dan topografi. - Secondary detector, yang berfungsi untuk menangkap informasi mengenai topografi (Prasetyo, 2011). 5. Sample Holder
Untuk meletakkan sampel yang akan dianalisis dengan SEM. 6. Monitor CRT (Cathode Ray Tube)
Di layar CRT inilah gambar struktur obyek yang sudah diperbesar dapat dilihat. a)
Topografi, yaitu ciri-ciri permukaan dan teksturnya (kekerasan, sifat memantulkan
cahaya, dan sebagainya). b)
Morfologi, yaitu bentuk dan ukuran dari partikel penyusun objek (kekuatan, cacat pada
Integrated Circuit (IC) dan chip, dan sebagainya). c)
Komposisi, yaitu data kuantitatif unsur dan senyawa yang terkandung di dalam objek
(titik lebur, kereaktifan, kekerasan, dan sebagainya).
5
d)
Informasi kristalografi, yaitu informasi mengenai bagaimana susunan dari butir-butir di
dalam objek yang diamati (konduktifitas, sifat elektrik, kekuatan, dan sebagainya). (Prasetyo, 2011). Jenis sampel yang dapat dianalisa:
Sampel Padat: logam, bubuk kimia, kristal, polymers, plastik, keramik, fosil, butiran, karbon, campuran partikel logam, sampel Arkeologi.
Sampel Biologi: sel darah, produk bakteri, fungal, ganggang, benalu dan cacing. Jaringan binatang, manusia dan tumbuhan.
Sampel Padatan Biologi: contoh profesi dokter gigi, tulang, fosil dan sampel arkeologi (Sudarman dkk., 2011).
Demikian, SEM mempunyai resolusi tinggi dan familiar untuk mengamati obyek benda berukuran nano meter. Meskipun demikian, resolusi tinggi tersebut didapatkanuntuk scan dalam arah horizontal, sedangkan scan secara vertikal (tinggi rendahnya struktur) resolusinya rendah. Ini merupakan kelemahan SEM yang belum diketahuipemecahannya. Namun demikian, sejak sekitar tahun 1970-an, telah dikembangkan mikroskop baru yang mempunyai resolusi tinggi baik secara horizontal maupun secaravertikal, yang dikenal dengan "scanning probe microscopy (SPM)" ( Oktaviana, 2010)
2.3.
Preparasi Sediaan 6
Agar pengamat dapat mengamati preparat dengan baik, diperlukan persiapan sediaan dengan tahap sebagai berikut : 1. Melakukan fiksasi, yang bertujuan untuk mematikan sel tanpa mengubah struktur sel yang akan diamati. fiksasi dapat dilakukan dengan menggunakan senyawa glutaraldehida atau osmium tetroksida. 2. Dehidrasi, yang bertujuan untuk memperendah kadar air dalam sayatan sehingga tidak mengganggu proses pengamatan. 3. Pelapisan/pewarnaan, bertujuan untuk memperbesar kontras antara preparat yang akan diamati dengan lingkungan sekitarnya. Pelapisan/pewarnaan dapat menggunakan logam mulia seperti emas dan platina.
2.4.
Prinsip Kerja
Prinsip kerja dari SEM adalah sebagai berikut: 1. Electron gun menghasilkan electron beam dari filamen. Pada umumnya electron gun yang digunakan adalah tungsten hairpin gun dengan filamen berupa lil itan tungsten yang berfungsi sebagai katoda. Tegangan yang diberikan kepada lilitan mengakibatkan terjadinya pemanasan. Anoda kemudian akan membentuk gaya yang dapat menarik elektron melaju menuju ke anoda. 2. Lensa magnetik memfokuskan elektron menuju suatu titik pada permukaan sampel. 3. Sinar elektron yang terfokus memindai (scan) keseluruhan sampel dengan diarahkan oleh koil pemindai. 4. Ketika elektron mengenai sampel, maka akan terjadi hamburan elektron, baik Secondary Electron (SE) atau Back Scattered Electron (BSE) dari permukaan sampel dan akan dideteksi oleh detektor dan dimunculkan dalam bentuk gambar pada monitor CRT. Ada beberapa sinyal yang penting yang dihasilkan oleh SEM. Dari pantulan inelastis didapatkan sinyal elektron sekunder dan karakteristik sinar X sedangkan dari pantulan elastis didapatkan sinyal backscattered electron. Perbedaan gambar dari sinyal elektron sekunder dengan backscattered adalah sebagai berikut: elektron sekunder menghasilkan topografi dari benda yang dianalisa, permukaan yang tinggi berwarna lebih cerah dari permukaan rendah. 7
Sedangkan backscattered elektron memberikan perbedaan berat molekul dari atom – atom yang menyusun permukaan, atom dengan berat molekul tinggi akan berwarna lebih cerah daripada atom dengan berat molekul rendah. Contoh perbandingan gambar dari kedua sinyal ini disajikan pada gambar dibawah ini.
Mekanisme kontras dari elektron sekunder dijelaskan dengan gambar dibawah ini. Permukaan yang tinggi akan lebih banyak melepaskan elektron dan menghasilkan gambar yang lebih cerah dibandingkan permukaan yang rendah atau datar.
Sedangkan mekanisme kontras dari backscattered elektron dijelaskan dengan gambar dibawah ini yang secara prinsip atom – atom dengan densitas atau berat molekul lebih besar akan memantulkan lebih banyak elektron sehingga tampak lebih cerah dari atom berdensitas rendah. Maka teknik ini sangat berguna untuk membedakan jenis atom. 8
2.5. Interpretasi Data
Cara terbentuknya gambar pada SEM berbeda dengan apa yang terjadi pada mikroskop optic dan TEM. Pada SEM, gambar dibuat berdasarkan deteksi elektron baru (elektron sekunder) atau elektron pantul yang muncul dari permukaan sampel ketika permukaan sampel tersebut discan dengan sinar elektron. Elektron sekunder atau elektron pantul yang terdeteksi selanjutnya diperkuat sinyalnya, kemudian besar amplitudonya ditampilkan dalam gradasi gelap-terang pada layar monitor CRT (cathode ray tube). Di layar CRT inilah gambar struktur obyek yang sudah diperbesar bisa dilihat. Pada proses operasinya, SEM tidak memerlukan sampel yang ditipiskan, sehingga bisa digunakan untuk melihat obyek dari sudut pandang 3 dimensi. Diti njau dari jalannya berkas media , SEM dapat dianalogikan dengan mikroskop optik metalurgi, sedangkan TEM analog dengan mikroskop optik biologi. SEM dan mikroskop optik metalurgi menggunakan prinsip refleksi, dalam arti permukaan spesimen memantulkan berkas media. TEM dan mikroskop optik biologi/kedokteran memakai prinsip transmisi, artinya berkas media menembus spesimen yang tipis. Teknik SEM pada hakekatnya merupakan pemeriksaan dan analisis permukaan. Data atau tampilan yang diperoleh adalah data dari permukaan atau dari lapisa n yang tebalnya sekitar 20 µm dari permukaan. Gambar permukaan yang diperoleh merupakan gambar topografi dengan segala tonjolan dan lekukan per mukaan. Gambar topogorafi diperoleh dari penangkapan pengolahan elektron sekunder yang dipancarkan oleh spesimen. Kata kunci dari prinsip kerja SEM adalah scanning yang berarti bahwa berkas elektron “menyapu” permukaan spesimen, titik demi titik dengan sapuan membentuk garis demi garis, mirip seperti gerakan mata yang membaca. Sinyal elektron sekunder yang dihasilkannyapun adalah dari titik pada 9
permukaan, yang selanjutnya ditangkap oleh SE detector dan kemudian diolah dan ditampilkan pada layar CRT (TV). Scanning coil yang mengarahkan berkas elektron bekerja secara sinkron dengan pengarah berkas elektron pada tabung la yar TV, sehingga didapatkan gambar permukaan spesimen pada layar TV. Untuk mengenali jenis atom di permukaan yang mengandung multi atom para peneliti lebih banyak mengunakan teknik EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). Sebagian besar alat SEM dilengkapi dengan kemampuan ini, namun tidak semua SEM punya fitur ini. EDS dihasilkan dari Sinar X karakteristik, yaitu dengan menembakkan sinar X pada posisi yang ingin kita ketahui komposisinya. Maka setelah ditembakkan pada posisi yang diinginkan maka akan muncul puncak – puncak tertentu yang mewakili suatu unsur yang terkandung. Dengan EDS kita juga bisa membuat elemental mapping (pemetaan elemen) dengan memberikan warna berbeda – beda dari masing – masing elemen di permukaan bahan. EDS bisa digunakan untuk menganalisa secara kuantitatif dari persentase masing – masing elemen. Contoh dari aplikasi EDS digambarkan pada diagram dibawah ini.
Aplikasi dari teknik SEM – EDS adalah sebagai berikut: 1. Topografi: Menganalisa permukaan dan teksture (kekerasan, reflektivitas dsb) 2. Morfologi: Menganalisa bentuk dan ukuran dari benda sampel 3. Komposisi: Menganalisa komposisi dari permukaan benda secara kuantitatif dan kualitatif.
2.6.
Kelebihan dan Kelemahan SEM
Adapun kelebihan teknik SEM yaitu terdapat sistem vakum pada electron-optical column dan sample chamber yang bertujuan antara lain:
10
1. Menghilangkan efek pergerakan elektron yang tidak beraturan karena adanya molekul gas pada lingkungan tersebut, yang dapat mengakibatkan penurunan intensitas dan stabilitas. 2. Meminimalisasi gas yang dapat bereaksi dengan sampel at au mengendap pada sampel, baik gas yang berasal dari sampel atau pun mikroskop. Karena apabila hal tersebut terjadi, maka akan menurunkan kontras dan membuat gelap detail pada gambar (Prasetyo, 2011). Sedangkan kelemahan dari teknik SEM antara lain: 1. Memerlukan kondisi vakum 2. menganalisa permukaan 3. Resolusi lebih rendah dari TEM 4. Sampel harus bahan yang konduktif, jika tidak konduktor maka perlu dilapis logam seperti emas
11
DAFTAR RUJUKAN
http://materialcerdas.wordpress.com/teori-dasar/scanning-electron-microscopy/ http://apriliafitri04.wordpress.com/2013/01/19/mikroskop-elektron/ http://id.wikipedia.org/wiki/Mikroskop_elektron#Mikroskop_pemindai_elektron_.28SEM.29 http://www.jeolusa.com/sem/docs/sem_guide/tbcontd http://mse.iastate.edu/microscopy/college.html http://www.microscopy.ethz.ch/sem.htm http://anita-widynugroho.blogspot.com/2012/04/scanning-electron-microscope-sem.html http://mandeleyev-rapuan.blogspot.com/2012/03/sem-scanning-electron-microscope.html http://laskarvck.wordpress.com/2010/12/18/scanning-electron-microscopic/
12
