ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM)

Pendahuluan

Pada pemrosesan/pembuatan bahan terutama pada skala atomic/molecular,

diperlukan suatu ketepatan yang tepat serta efisiensi yang tinggi dalam proses

karakterisasi. Karakterisasi berfungsi untuk mengetahui sifat tertentu dari suatu bahan

sebelum diproses lebih lanjut. Berbagai metode telah dikembangkan sampai saat ini, satu

metoda dengan metoda lainnya memiliki banyak perbedaan tergantung konsep apa yang

digunakan. Satu metoda dipilih berdasarkan banyak pertimbangan, baik itu jenis bahan,

efisiensi, karakter tertentu yang ingin diketahui dari bahan tersebut sampai pada biaya

yang dikeluarkan. Setiap metoda karakterisasi bertanggungjawab pada satu nilai tertentu

dari bahan, yaitu nilai karakter apa yang hendak diamati dari bahan tersebut.

Konsep electron tunneling yang dikemukakan oleh Giaever menyatakan bahwa

jika beda potensial diberikan pada dua logam yang dipisahkan oleh lapisan tipis insulator

maka akan terjadi aliran muatan dikarenakan adanya kemampuan electron untuk

menembus potensial barrier. Penemuan ini yang telah membawa Binnig dan Rohler, dua

ilmuwan sains terpikir untuk menemukan Scanning Tunneling Microscopy (STM), cikal

bakal semua metoda SPM.

AFM salah satu metoda karakterisasi dari keluarga SPM (Scanning Probe

Microscopy) bekerja pada bagian permukaan bahan dengan melibatkan interaksi antara

probe dan permukaan bahan melalui proses fisis tertentu. Interaksi ini kemudian dapat

men-generate citra permukaan bahan pada skala mikroskopik, sehingga susunan partikel

pada permukaan bahan dapat terlihat dengan jelas. Berbeda dengan microscopy lainnya,

metoda karakterisasi ini hanya melibatkan gaya yang terjadi antara tip dan sampel. Gaya

yang terjadi bisa berupa gaya tarikan atau dorongan. Setiap gaya akan mengakibatkan

pembengkokan tertentu pada bagian cantilever dimana akan terdeteksi oleh berkas laser

dan kemudian ditangkap oleh detector yang kemudian akan dicitrakan menjadi sebuah

image yang bernilai.

Nama : Cristian Alboin R S

NPM : 140310080043

Dosen : Dr. Camellia Panatarani

-Tugas Makalah Nanoteknologi-

Atomic Force Microscopy (AFM)

Gbr 1. Skema cara kerja SPM (AFM)

Terlihat bahwa prinsip kerja AFM yang terbilang sederhana, melibatan interaksi

antara tip (yang terpasang pada cantilever) dengan sampel yang telah dipasang pada

bahan piezoelektrik. Setiap permukaan bahan akan terlihat halus secara kasat mata,

namun sacara mikroskopik susunan partikel tidak selamanya rata pada permukaan alias

kasar. Pola susunan partikel inilah yang akan diamati melalui AFM. Prinsip kerjanya

melibatkan gaya yang terjadi selama interaksi terjadi, secara umum dapat berupa tarikan

atau dorongan. Gaya-gaya yang terjadi akan dideteksi melalui pergerakan/pembengkokan

cantilever yang otomatis akan merubah sudut refleksi sinar laser kea rah detector yang

menangkap semua berkas laser yang dipantulkan. Selanjutnya sinyal-sinyal laser tadi

diolah lebih lanjut oleh perangkat-perangkat elektonik lainnya yang nantinya akan

berakhir pada computer untuk dijadikan image(citra) 3D permukaan benda secara detail

pada skala nano.

Gaya yang terjadi antara probe dan permukaan sample berupa :

F= -k.x

Dimana F= gaya

k=konstanta pegas

x=defleksi cantilever

Komponen-komponen penting AFM:

- Piezoelektrik, merupakan bahan keramik yang mengalami perubahan (kontraksi atau

ekspansi) saat diberikan tegangan, dan sebaliknya menghasilkan potensial listrik

ketika diberi tekanan mekanik.

- Probe, bagian yang secara langsung berinteraksi dengan permukaan sampel (tip), dan

cantilever dengan panjang 100 – 200 μm dengan lebar 10-40 nm, serta ketebalan 0.3-

2 μm.

- Sumber laser, devais elektronik yang berfungsi untuk menembakkan laser ke arah

cantilever.

- Detector, pendeteksi laser pantulan

- Perangkat komputer sebagai pengolah data

Gbr 2. Skema komponen AFM

Mode Operasi AFM

Terdapat tiga imaging mode AFM tergantuk dari bentuk interaksi antara probe

dan sample. Mode AFM terbagi atas tiga :

- Mode kontak ( contact mode ), repulsive (VdW) ketika konstantan pegas

cantilever lebih kecil dibandingkan permukaan, maka cantilever mengalami

pembengkokan. Gaya pada tip bersifat repulsive. Dengan mempertahankan

defleksi cantilever tetap konstan, gaya antara probe dan sampel tetap konstan

Separasi antara tip-sampel <0.5 nm

- Mode non-kontak ( non-contact mode), attractive (VdW) probe tidak

mengalami kontak dengan sampel, tetapi mengalami osilasi di atas lapisan

permukaan sampel ketika sedang proses scan. Dengan menggunakan feedback

loop untuk mengamati perubahan amplitude dikarenakan gaya tarikan VdW,

topography permukaan didapatkan.

Separasi antara tip-sampel 0.1nm - 10nm

- Mode Tapping (Tapping Mode), hamper sama dengan mode contact namun

pada mode ini cantilever berosilasi pada frekuensi resonannya. Probe

melakukan proses “tap” pada permukaan sample ketika proses scanning

berjalan.

Separasi tip-sampel 0.5nm – 2nm

Gbr 3.Perbedaan antara STM dan AFM

Keuntungan dan Kerugian dari mode AFM

Mode Contact AFM

Keuntungan:

-Scanning kecepatan tinggi

-Resolusi skala atomik

-Sangat bagus pada bahan kasar dengan tingkat perubahan yang besar pada

topography vertical.

Kerugian :

-Gaya lateral dapat merusak citra

-Resolusi yang dihasilkan kurang baik terutama pada sample yang terbilang soft.

Mode Non-contact AFM

Keuntungan:

-Gaya lemah diberikan pada permukaan sampel tanpa merusak permukaan

sampel.

Kerugian:

-Resolusi lateral yang rendah,diakibatkan separasi tip-sample

-Biasanya digunakan pada sampel hidropobik

Mode Tapping

Keuntungan

-Resolusi lateral yang tinggi (1nm – 5nm)

-Gaya yang lemah serta kerusakan yang minim pada sampel

-Hampir tidak ada gaya lateral

Kerugian

-Kecepatan scan yang lebih lamabat daripada mode contact

Images dari AFM

Tip pada AFM digunakan:

-Untuk proses imaging

-Untuk mengukur gaya ( dan propertis mekanikal lainnya) pada skala nano.

-sebagai alat skala nano, berfungsi untuk melakukan proses bending,cutting,

extracting bahan-bahan lunak/halus seperti polimer, DNA, dan nanotubes pada

skala submicron di bawah control resolusi tinggi.

Gbr 4. Contoh gambar 3D AFM dari tiga tipe yang berbeda bahan Pd, dibangun pada 6H-SiC

Gbr 5. Contoh gambar tapping mode dari sampel biologi, nucleosomal DNA

Gbr 6.Gambar hasil non-contact modedari butir titanium-nitrida, a) scanner 10μm b)5 μm

Aplikasi AFM

-Analisa kekasaran substrat

-Step formation pada deposisi epitaxial film tipis

-Analisa ukuran grain (grain size)

-Melalui proses AFM In situ dengan perubahan temperature, kita dapat

mempelajari perubahan struktur

Kesimpulan

AFM adalah suatu alat bantu yang dilakukan untuk proses karakterisasi bahan

tertentu sama hal seperti STM. AFM dapat digunakan baik untuk bahan konduktor,

semikonduktor dan insulator.

Faktor ketelitian (accuracy) dan sensitivitas adalah factor yang harus dipenuhi,

disamping hal tersebut factor pengulangan pembacaan (Reapetability) yang baik juga

factor yang harus dipenuhi karena semuanya berpengaruh pada hasil pengukuran

topography permukaan.