Scanning Electron Microscopy (SEM)

Microscopy atau mikroskop adalah alat yang memungkinkan perbesaran citra obyek untuk mengamati rincian dari obyek tersebut. Perkembangan mikroskop dimulai dari optik yang menggunakan satu seri lensa gelas untuk membelokkan gelombang cahaya tampak agar menghasilkan citra yang diperbesar, mikroskop petrografik, mikroskop medan-gelap, mikroskop fasa, mikroskop ultraviolet, mikroskop medan dekat dan mikroskop elektron yang menggunakan berkas elektron untuk mengiluminasi obyek [1]. Mikroskop elektron memiliki resolusi yang lebih tinggi dibandingkan mikroskop optik [1-2]. Hal ini disebabkan oleh panjang gelombang de Broglie yang dimiliki elektron lebih pendek dibandingkan gelombang optik. Makin kecil panjang gelombang yang digunakan maka makin tinggi resolusi mikroskop. Panjang gelombang de Broglie elektron adalah sebagai berikut:

dengan h konstanta Planck dan p adalah momentum elektron. Momentum elektron  dapat ditentukan dari energi kinetik melalui hubungan berikut:

dengan K energi kinetik elektron dan m adalah massanya [2]. Intinya, panjang gelombang pada mikroskop elektron lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya, maka dapat melihat struktur atau spesimen sampel yang lebih kecil.

Panjang gelombang cahaya tampak terkecil adalah 4.000 Å, sedangkan panjang gelombang elektron yang digunakan pada mikroskop elektron biasanya dalam orde angstrom (Å) tergantung pemercepat yang digunakan adalah sebagai berikut:

 

Selain itu, dengan menggunakan mikroskop elektron dapat diperoleh perbesaran obyek dengan resolusi tinggi sampai ratusan ribu kali (20-500.000 kali [3]) dibandingkan dengan mikroskop optik yang hanya dua ribu kali perbesaran dengan rincian obyek kurang terlihat jelas [1].

Ada 2 jenis  mikroskop elektron yakni mikroskop elektron transmisi (TEM-Transmission Electron Microscopy) dan mikroskop elektron sapuan (SEM-Scanning Electron Microscopy) [1]. Scanning Electron Microscopy atau SEM merupakan metode untuk membentuk bayangan daerah mikrokopis permukaan sampel atau dengan kata lain penggunaan berkas elektron untuk menggambar permukaan benda [2,4]. Alat-alat SEM terdiri atas sumber elektron (electron gun), brupa filamen kawat wolfram, alat untuk mencacah (scanner) titik-titik sepanjang spesimen berupa lensa elektromagnetik dan foil pencacah, seperangkat lensa elektromagnetik untuk memfokuskan elektron dari sumber menjadi titik kecil di atas spesimen, sistem detektor, serta sistem layar [4].

Respati [5] cara kerja dari SEM adalah sinar dari lampu dipancarkan pada lensa kondensor. Sebelum masuk pada lensa kondensor ada pengatur dari pancaran sinar elektron yang ditembakkan. Sinar yang melewati lensa kondensor diteruskan lensa objektif yang dapat diatur maju dan mundurnya. Sinar yang melewati lensa objekstif diteruskan pada spesimen yang diatur miring pada pencekamnya. Spesimen ini disinari oleh deteksi x-ray yang menghasilkan sebuah gambar yang diteruskan pada layar monitor. Menurut Rohaeti [4], suatu berkas elektron berdiameter antara 5-10 nm yang dilewatkan sepanjang spesimen mengakibatkan interaksi antara berkas elektron dengan spesimen menghasilkan beberapa fenomena berupa pemantulan elektron berenergi tinggi, pembentukan elektron sekunder berenergi rendah, penyerapan elektron, pembentukan sinar-X, atau pembentukan sinar tampak (cathodeluminescene). Setiap sinyal yang terjadi dapat dimonitor oleh suatu detektor.  

Gambar 1. Diagram skematik SEM  [3]

Anggraeni [3], sewaktu berkas elektron menumbuk permukaan sampel, sejumlah elektron direfleksikan sebagai backscattered electron (BSE) dan yang lain membebaskan energi rendah secondary electron (SE). Emisi radiasi elektromagnetik dari sampel timbul pada panjang gelombang yang bervariasi tapi pada dasarnya panjang gelomang yang lebih menarik untuk digunakan adalah panjang gelombang cahaya tampak (cathodeluminescence) dan sinar-X.  Elektron-elektron BSE dan SE yang direfleksikan dan dipancarkan oleh sebuah scintillator yang memancarkan sebuah pulsa cahaya pada elektron yang datang. Cahaya yang dipancarkan kemudian diubah menjadi sinyal listrik dan diperbesar oleh photomultiplier. Setelah melalui proses perbesaran, sinyal tersebut dikirim ke bagian grid tabung sinar katoda. Scintillator biasnya memiliki potensial positif sebesar 5-10 kV untuk mempercepat energi rendah yang diapncarkan elektron agar cukup untuk mengemisikan cahaya tampak ketika menumbuk scintillator. Scintillator harus dilindungi agar tidak terkena defleksi berkas elektron utama yang memiliki potensial tinggi. Pelindung metal yang mengandung metal gauze terbuka yang menghadap sampel memungkinkan hampir seluruh elektron melalui scintillator. 

Gambar 2. Berkas elektron berenergi tinggi mengenai permukaan material [2]

Syarat agar SEM dapat mengahasilkan citra atau gambar yang tajam adalah permukaan benda harus bersifat sebagai pemantul elektron atau dapat melepaskan elektron sekunder ketika ditembak dengan berkas elekrton. Material yang dapat bersifat demikian adalah material logam. Namun, jika spesimen yang akan dianalisis tidak mampu memantulkan elektron atau melepaskan elektron sekunder maka spesimen perlu dilapisi dengan lapisan logam seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 [2]. Logam yang digunakan dapat berupa emas (Au) atau berupa perak (Ag).

Gambar 3. Pelapisan pada permukaan isolator [2]

Daftar Pustaka

1.       M. S. Ardisasmita, 2010, J. Mikroskopi dan Mikroanalisis, 3(1): 25-29.

2.       M. Abdullah dan Khairurrijal, 2009, Jurnal Nanosains & Nanoteknologi, 2(1): 1-9.

3.       N D. Anggraeni, 2009, Seminar Nasional-VII Rekayasa dan Aplikasi Teknik Mesin di Industri Kampus ITENAS-Bandung ISSN 1693-3168, TMBK 50-56.

4.       E. Rohaeti, 2009, Prosiding Smeinar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Yogyakarta, K-248-257.

5.       S. M.B. Respati, 2008, Momentum, 4(2): 42-44.

Baca juga UV-Vis Diffuse Reflectance Spectroscopy (UV-DRS) disini.
Baca juga X-Ray Diffraction (XRD) disini.