Scanning Electron Microscope (SEM)

           Mikroskop elektron adalah sebuah mikroskop yang dapat melakukan pembesaran objek sampai 2 juta kali. Mikroskop ini menggunakan elektrostatik dan elektromagnetik untuk mengontrol pencahayaan dan tampilan gambar serta memiliki kemampuan pembesaran objek serta resolusi yang jauh lebih bagus daripada mikroskop cahaya. Mikroskop elektron menggunakan jauh lebih banyak energi dan radiasi elektromagnetik yang lebih pendek dibandingkan mikroskop cahaya (Anonymous, 2012).

Scanning Electron Microscope (SEM) adalah sebuah mikroskop elektron yang didesain untuk mengamati permukaan objek solid secara langsung.  SEM memiliki perbesaran 10 – 3.000.000 kali, depth of field 4 – 0.4 mm dan resolusi sebesar 1 – 10 nm. Kombinasi dari perbesaran yang tinggi, depth of field yang besar, resolusi yang baik, kemampuan untuk mengetahui komposisi dan informasi kristalografi membuat SEM banyak digunakan untuk keperluan penelitian dan industri (Prasetyo, 2011). Anonymous (2012) menambahkan, SEM memfokuskan sinar elektron (electron beam) di permukaan obyek dan mengambil gambarnya dengan mendeteksi elektron yang muncul dari permukaan obyek.

  

Alasan Menggunakan Elektron

Elektron memiliki resolusi yang lebih tinggi daripada cahaya. Cahaya hanya mampu mencapai 200nm, sedangkan elektron dapat mencapai resolusi  hingga 0,1 – 0,2 nm. Berikut ini merupakan perbandingan hasil gambar mikroskop cahaya dengan SEM (Material Cerdas, 2009).

Gambar 1. Perbandingan Hasil Mikroskop Cahaya dengan SEM

             Dengan menggunakan elektron akan didapatkan beberapa jenis pantulannya yang berguna untuk keperluan karakterisasi. Jika elektron mengenai suatu benda maka akan timbul dua jenis pantulan yaitu pantulan elastis dan pantulan non elastis seperti pada gambar dibawah ini (Material Cerdas, 2009).

Gambar 2. Pantulan elastis dan pantulan non elastis

PRINSIP KERJA SEM

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 lilitan 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.

Secara lengkap skema SEM dijelaskan oleh gambar dibawah ini:

Gambar 3. Mekanisme Kerja SEM

           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 elektron. Sinyal -sinyal tersebut dijelaskan pada gambar berikut ini.

Gambar 4. Sinyal-sinyal dalam SEM

 

Cara terbentuknya gambar pada SEM berbeda dengan apa yang terjadi pada mikroskop cahaya dan TEM. Pada SEM, gambar dibuat berdasarkan deteksi elektron sekunder atau backscaterred elektron yang muncul dari permukaan sampel ketika permukaan sampel tersebut dipindai dengan elektron. Elektron-elektron yang terdeteksi selanjutnya diperkuat sinyalnya, kemudian besar amplitudonya ditampilkan dalam gradasi gelap-terang pada monitor CRT (cathode ray tube). Di layar CRT inilah gambar struktur obyek yang sudah diperbesar dapat dilihat. Pada proses operasinya, SEM tidak memerlukan sampel yang ditipiskan, sehingga bisa digunakan untuk melihat obyek dari sudut pandang 3 dimensi (Anonymous, 2012).

  

KOMPONEN UTAMA SEM

SEM memiliki beberapa peralatan utama, antara lain:

1.   Penembak elektron (electron gun)

1)    Ada dua jenis atau tipe dari electron gun yaitu :
a) Termal

Pada jenis ini, energi luar yang masuk ke bahan dalam bentuk energi panas. Energi panas ini diubah menjadi energi kinetik. Semakin besar panas yang diterima bahan maka akan semakin besar pula kenaikan energi kinetik yang terjadi pada electron. Pada situasi inilah akan terdapat elektron yang pada ahirnya terlepas keluarmelalui permukaan bahan. Bahan yang digunakan sebagai sumber elektron disebut sebagai emiter atau lebih sering disebut katoda. Sedangkan bahan yangmenerima elektron disebut sebagai anoda. Dalam konteks tabung hampa (vacuum tube) anoda lebih sering disebut sebagai plate. Dalam proses emisi termal 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 :

2)    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 ^oC), sehingga tungsten banyak digunakan untuk aplikasi khas yaitu tabung XRay yang bekerja pada tegangan sekitar 5000 V dan suhu tinggi. Akan tetapiuntuk 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 ^oC).

3)    Field emission

Pada emisi jenis ini yang menjadi penyebab lepasnya elektron dari bahan ialahadanya gaya tarik medan listrik luar yang diberikan pada bahan. Pada katoda yangdigunakan pada 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 emisi utama yang terjadi pada vacuum tubeselain emisi thermionic.

Jenis katoda yang digunakan diantaranya adalah :
- Cold Field Emission

- Schottky Field Emission Gun

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. 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).

4. Sample Holder

            Untuk meletakkan sampel yang akan dianalisis dengan SEM.

 5. 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).

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 biologi atau material padat.
Aplikasi (analisa sampel):

1. Sampel Padat: logam, bubuk kimia, kristal, polymers, plastik, keramik, fosil, butiran, karbon, campuran partikel logam, sampel Arkeologi.
2. Sampel Biologi: sel darah, produk bakteri, fungal, ganggang, benalu dan cacing. Jaringan binatang, manusia dan tumbuhan.
3. Sampel Padatan Biologi: contoh profesi dokter gigi, tulang, fosil dan sampel arkeologi (Sudarman dkk., 2011).

 KELEBIHAN - KELEMAHAN SEM

Adapun kelebihan teknik SEM yaitu terdapat sistem vakum pada electron-optical column dan sample chamber yang bertujuan antara lain:

• Menghilangkan efek pergerakan elektron yang tidak beraturan karena adanya molekul gas pada lingkungan tersebut, yang dapat mengakibatkan penurunan intensitas dan stabilitas.
• Meminimalisasi gas yang dapat bereaksi dengan sampel atau 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:

• Memerlukan kondisi vakum
• Hanya menganalisa permukaan
• Resolusi lebih rendah dari TEM 
• Sampel harus bahan yang konduktif, jika tidak konduktor maka perlu dilapis logam seperti emas (Material Cerdas, 2009).

DAFTAR PUSTAKA

 

Anonymous. 2012. Mikroskop Elektron. http://id.wikipedia.org/wiki/Mikroskop_elektron Tanggal akses 19 Maret 2012.

IA State. 2009. Microscopy. http://mse.iastate.edu/microscopy/college.html Tanggal akses 19 Maret 2012.

Material Cerdas. 2009. Teori Dasar Scanning Electron Microscopy. http://materialcerdas.com/ teori-dasar/scanning-electron-microscopy/ Tanggal akses 19 Maret 2012.

Prasetyo, Y. 2011. Scanning Electron Microscope dan Optical Emission Spectroscope. http:// yudiprasetyo53.wordpress.com/2011/11/07/scanning-electron-microscope-sem-dan-optical-emission-spectroscope-oes/ Tanggal akses 19 Maret 2012.