Scanning Electron Microscopy (sem) 15228

SCANNING ELECTRON MICROSCOPY (SEM)

A. Sejarah SEM SEM 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 tahun 1948 seorang profesor di Universitas Cambridge.Sejak itu,semakin

banyak

bermunculan

kontribusi

signifikan

yang

mengoptimalkan

perkembangan modern mikroskop elektron.

B. Pengertian SEM(Scanning Electron Microscopy) SEM adalah salah satu jenis mikroskop elektron yang menggunakan berkas elektron untuk menggambar profil permukaan benda. SEM memiliki resolusi yang lebih tinggi dari pada mikroskop optik. Hal ini disebabkan oleh panjang gelombang de Broglie yang dimiliki elektron lebih pendek daripada gelombang optik. Makin kecil panjang gelombang yang digunakan maka makin tinggi resolusi mikroskop. Panjang gelombang de Broglie elektron adalah λ=h/p, dengan h konstanta Planck dan p adalah elektron. Momentum elektron dapat ditentukan dari energi kinetik melalui hubungan K=p2/2m, dengan K energi kinetik elektron dan m adalah massanya. Dalam SEM berkas elektron keluar dari filamen panas lalu dipercepat pada potensial tinggi V. Akibat percepatan tersebut, akhirnya elekton memiliki energy kinetik K=eV. Dengan demikian kita dapat menulis momentum dan panjang gelombang de Brogile λ= h/

electron sebagai p=

,

,. Umumnya tegangan yang

digunakanalah puluhan kilovolt. Sebagai ilutrasi, misalkan SEM dioperasikan pada tegangan 20 kV maka panjang gelombang de Broglie elektron sekitar 9 × 10-12 m.

SEM (Scanning Electron Microscope) adalah salah satu jenis mikroskop electron yang menggunakan berkas electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis. C. Prinsip Kerja SEM Prinsip kerja SEM adalah menembakkan permukaan benda dengan berkas elektron bernergi tinggi.Permukaan benda yang dikenai berkas akan memantulkan kembali berkas tersebut atau menghasilkan elektron sekunder ke segala arah. Tetapi ada satu arah di mana berkas dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Detektor di dalam SEM mendeteksi elektron yang dipantulkan dan menentukan lokasi berkas yang dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Arah tersebut memberi informasi profil permukaan benda seperti seberapa landai dan ke mana arah kemiringan. Pada saat dilakukan pengamatan, lokasi permukaan benda yang ditembak dengan berkas elektron di-scan ke seluruh area daerah pengamatan. Kita dapat membatasi lokasi pengamatan dengan melakukan zoon-in atau zoom-out. Berdasarkan arah pantulan berkas pada berbagai titik pengamatan maka profil permukan benda dapat dibangun menggunakan program pengolahan gambar yang ada dalam komputer.

Gambar 1 Dalam SEM berkas elektron bernergi tinggi EM memiliki resolusi yang lebih tinggi mengenai permukaan material. Elektron pantulan dan elektron sekunder dipancarkan kembali dengan sudut yang bergantung pada profil permukaan material.

Syarat agar SEM dapat menghasilkan citra yang tajam adalah permukaan benda harus bersifat sebagai pemantul elektron atau dapat melepaskan elektron sekunder ketika ditembak dengan berkas elektron. Material yang memiliki sifat demikian adalah logam. Jika permukaan logam diamati di bawah SEM maka profil permukaan akan tampak dengan jelas. Agar profil permukaan bukan logam jelas dengan SEM maka permukaan material tersebut harus dilapisi dengan logam.Film tipis logam dibuat pada permukaan material tersebut sehingga dapat memantulkan berkas elektron. Metode pelapisan yang umumnya dilakukan adalah evaporasi dan sputtering .

Gambar 2 permukaan isolator perlu dilapisi logam agar dapat diamati dengan jelas dibawah SEM Pada metode evaporasi, material yang akan diamati permukaanya ditempatkan dalam satu ruang (chamber) dengan logam pelapis. Ruang tersebut dapat divakumkan dan logam pelapis dapat dipanaskan hingga mendekati titik leleh. Logam pelapis diletakkan di atas filamen pemanas. Mula-mula chamber divakumkan yang dikuti dengan pemanasan logam pelapis. Atom-atom menguap pada permukaan logam. Ketika sampai pada permukaan material yang memiliki suhu lebih renda, atom-atom logam terkondensasi dan membetuk lapisan film tipis di permukaan material. Ketebalan lapisan dapat dikontrol dengan mengatur lama waktu evaporasi. Agar proses ini dapat berlangsung efesien maka logam pelapis yang digunakan harus yang memiliki titik lebur rendah. Logam pelapis yang umumnya digunakan adalah emas.

Gambar 3.1 Partikel(3 μm )

Gambar 3.2 Nanotube(1 μm)

Gambar 3.3 Partikel yang terorganisasi(300 nm) Prinsip kerja sputtering mirip dengan evaporasi. Namun sputtering dapat berlangsung pada suhu rendah (suhu kamar) Permukaan logam ditembak dengan ion gas berenergi tinggi sehingga terpental keluar dari permukaan logam dan mengisi ruang di dalam chamber. Ketika mengenai permukaan sample, atom-atom logam tersebut memmebtuk fase padat dalam bentuk film tipis. Ketebalan lapisan dikontrol dengan

mengatur lama waktu sputtering. Pada saat pengukuran dengan SEM, lokasi di permukaan sample tidak boleh terlalu lama dikenai berkas. elektron yang berenergi tinggi pada berkas dapat mencabut atom-atom di permukaan sample sehingga permukaan tersebut akan rusak dengan cepat. Film tipis di permukaan sample akan menguap dan kembali menjadi isolator. Akhirnya bayangan yang terekam tiba-tiba menjadi hitam.

D. Gambar Instrumen SEM

E. Keunggulan dan Kekurangan SEM Keunggulan •

Daya pisah tinggi Dapat ditinjau dari jalannya berkas media, SEM dapat digolongkan dengan optik metalurgi

prinsip refleksi, yang diarti sebagai permukaan spesimen yang

memantulkan berkas media. •

Menampilkan data permukaan spesimen Teknik SEM pada hakekatnya merupakan pemeriksaan dan analisis permukaan. Data atau tampilan yang diperoleh adalah data dari permukaan atau

lapisan yang tebalnya sekitar 20 mikro meter dari permukaan. Sinyal lain yang penting adalah back scattered elektron yang intensitasnya bergantung pada nomor atom, yang unsurnya menyatakn permukaan spesimen. Dengan cara ini diperoleh gambar yang menyatakan perbedaan unsur kimia yang lebih tinggi pada nomor atomnya. Kemampuannya yang beragam membuat SEM popular dan luas penggunaannya, tidak hanya dibidang material melainkn juga dibidang biologi, pertanian, kedokteran, elektronika, mikroelektronika dan lain-lain. •

Kemudahan penyiapan sampel Spesimen untuk SEM dapat berupa material yang cukup tebal, oleh karena itu penyiapannya sangat mudah. Untuk pemeriksaan permukaan patahan (fraktografi), permukaan diusahakan tetap seperti apa adanya, namun bersih dari kotoran, misalnya debu dan minyak. Permukaan spesimen harus bersifat konduktif. Oleh karena itu permukaan spesimen harus bersih dari kotoran dan tidak terkontaminasi oleh keringat.

•

Ukuran sample yang relatif besar

•

Rentang perbesaran yang luas: 3X -150,000X Kekurangan

•

Dibanding TEM resolusinya lebih rendah

•

Digunakan vakum

•

Hanya permukaan yang teramati

•

Diperlukan coating dg Au

Membrane Sic (Perbesaran 50 X)

Membrane Sic (Perbesaran 200 X)

Ceramic Foam(Perbesaran 20 X)

Ceramic Foam(Perbesaran 100 X)

Ceramic Foam(Perbesaran 500 X)

Ceramic Foam(Perbesaran 2000 X)

Ceramic Foam(Perbesaran 5000 X) F. Aplikasi SEM Proses pembuatan komposit polimer superabsorben dimulai dengan proses intercalating monomer acrilamida dengan struktur permukaan mineral zeolit alam yang komponen utamanya silikat. Mineral alam mempunyai struktur pori-pori permukaan yang dapat dibuka atau diaktifkan sehingga memungkinkan molekul monomer dapat masuk dalam struktur tersebut. Campuran monomer dengan mineral lokal kemudian diiradiasi dengan Mesin Berkas Elektron sehingga terjadi polimerisasi simultan seperti ditunjukkan pada:

Gambar 3. Proses Pembuatan KompositPolimer Superabsorben

Gambar 4 menunjukkan hasil analisis SEM pada sampel komposit superabsorben poliacrilamida-zeolit.