Scanning Electron Microscopy (SEM)

Elektron memiliki resolusi yang lebih tinggi daripada cahaya. Cahaya hanya mampu

mencapai 200nm sedangkan elektron bisa mencapai resolusi sampai 0,1 – 0,2 nm. Dibawah

ini diberikan perbandingan hasil gambar mikroskop cahaya dengan elektron.

Disamping itu dengan menggunakan elektron kita juga bisa mendapatkan beberapa jenis

pantulan 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.

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.

2 Lensa untuk elektron, berupa lensa magnetis karena elektron yang bermuatan negatif

dapat dibelokkan oleh medan magnet.

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.

Prinsip kerja dari SEM adalah sebagai berikut:

1. Sebuah pistol elektron memproduksi sinar elektron dan dipercepat dengan anoda.

2. Lensa magnetik memfokuskan elektron menuju ke sampel.

3. Sinar elektron yang terfokus memindai (scan) keseluruhan sampel dengan diarahkan

oleh koil pemindai.

4. Ketika elektron mengenai sampel maka sampel akan mengeluarkan elektron baru yang

akan diterima oleh detektor dan dikirim ke monitor (CRT).

Secara lengkap skema SEM dijelaskan oleh gambar dibawah ini:

(sumber:iastate.edu)

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. Sinyal -sinyal tersebut dijelaskan pada gambar

dibawah ini.

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. 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 mekasime 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.

Namun untuk mengenali jenis atom dipermukaan 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 kunatitatif dari persentase masing – masing elemen.

Contoh dari aplikasi EDS digambarkan pada diagram dibawah ini.

(sumber: umich.edu)

Aplikasi dari teknik SEM – EDS dirangkum 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.

Sedangkan kelemahan dari teknik SEM antara lain:

1. Memerlukan kondisi vakum

2. Hanya menganalisa permukaan

3. Resolusi lebih rendah dari TEM

4. Sampel harus bahan yang konduktif, jika tidak konduktor maka perlu dilapis logam

seperti ema

https://materialcerdas.wordpress.com/teori-dasar/scanning-electron-microscopy/

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 adalahtungsten 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)

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 :

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).

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:

a. Backscatter detector, yang berfungsi untuk menangkap informasi mengenai nomor

atom dan topografi.

b. Secondary detector, yang berfungsi untuk menangkap informasi mengenai topografi

(Prasetyo, 2011).

c.

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 chamberyang 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).

http://anita-widynugroho.blogspot.com/2012/04/scanning-electron-microscope-sem.html