Scanning Electron Microscope: Pengertian, Prinsip Kerja, dan Aplikasi [Lengkap+Contoh]

Scanning Electron Microscope (SEM) telah merevolusi cara ilmuwan memahami dunia mikroskopis. Beberapa alat SEM yang paling sering digunakan diantaranya adalah Hitachi SU8020, Zeiss Supra™ 40VP, Quanta FEG 250, dll. Dengan kemampuannya untuk memberikan gambar yang luar biasa tajam dan detail pada skala nanometer, SEM menjadi alat penting dalam penelitian ilmiah modern. Artikel ini akan membahas secara mendalam tentang Scanning Electron Microscope (SEM), manfaatnya, dan bagaimana SEM bekerja.

✔ Artikel ini telah diverifikasi dan direview oleh editor

Apa itu Scanning Electron Microscope (SEM)?

SEM adalah alat mikroskop yang menggunakan elektron daripada cahaya untuk menghasilkan gambar. Berbeda dengan mikroskop optik konvensional, SEM menggunakan serangkaian elektron yang diarahkan pada sampel. Interaksi antara elektron dan sampel menghasilkan sinyal yang kemudian digunakan untuk membuat gambar tiga dimensi yang sangat rinci.

Bagaimana SEM Bekerja?

Dasar Kerja SEM

1. Emitting Electrons (Penghasilan Elektron): SEM memulai prosesnya dengan menghasilkan elektron. Hal tersebut dilakukan melalui pemanasan kawat tungsten atau lebih sering dengan menggunakan sumber elektron termionik.
2. Focusing Electrons (Pemfokusan Elektron): Elektron yang dihasilkan kemudian difokuskan menggunakan sejumlah lensa magnetik. Dalam tahap ini, tujuan utamanya adalah menciptakan serangkaian elektron yang tajam dan fokus.
3. Scanning the Surface (Pemindaian Permukaan): Elektron yang difokuskan kemudian diarahkan pada sampel. SEM menggunakan teknik pemindaian yang canggih untuk melibatkan serangkaian pemindaian yang berurutan atau melintasi permukaan sampel.
4. Collecting Signals (Pengumpulan Sinyal): Interaksi antara elektron dan sampel menyebabkan berbagai sinyal, termasuk elektron yang tersebar, dipantulkan, atau diproduksi oleh sampel. Detektor khusus mengumpulkan sinyal ini.

Detektor dan Pengolahan Sinyal

1. Backscattered Electron Detector (Detektor Elektron Pantulan Kembali): Detektor ini mengukur elektron yang dipantulkan oleh inti atom dalam sampel. Elektron pantulan kembali memberikan informasi tentang komposisi kimia dan ketebalan sampel.
2. Secondary Electron Detector (Detektor Elektron Sekunder): Detektor ini mengukur elektron yang dipantulkan dari permukaan sampel. Elektron sekunder memberikan gambar dengan resolusi tinggi tentang topografi permukaan.
3. Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS): Banyak SEM dilengkapi dengan sistem EDS yang memungkinkan analisis kimia. Elektron yang berinteraksi dengan sampel dapat memicu emisi sinar-X karakteristik yang membantu mengidentifikasi elemen yang dianalisis.

Dalam praktiknya, sampel yang akan dianalisis biasanya juga akan dispray (disemprot) dengan larutan yang berisi emas. Pelapisan emas pada sampel melalui spray sebelum diamati dengan SEM umumnya dilakukan untuk mengatasi masalah konduktivitas listrik dan efek charging yang dapat terjadi selama pengujian SEM. Beberapa alasan utama pelapisan emas melibatkan:

1. Konduktivitas Listrik yang Lebih Baik: Emas adalah konduktor listrik yang baik. Dengan memberi semprotan emas pada sampel, maka akan meningkatkan konduktivitas listrik dan memungkinkan arus listrik untuk mengalir lebih baik di antara sampel dan permukaan logam SEM. Hal ini membantu menghindari terjadinya charging yang dapat memengaruhi kualitas gambar hasil pengamatan.
2. Pengurangan Efek Charging: Sinar elektron yang digunakan dalam SEM dapat menyebabkan charging pada permukaan sampel, terutama jika sampel tersebut non-konduktif atau semi-konduktif. Charging dapat menyebabkan distorsi atau gambar yang buram pada hasil pengamatan. Dengan memberi semprotan emas, maka hal tersebut membantu mengurangi efek charging dengan menyediakan jalur konduktif untuk aliran listrik sehingga memperbaiki kualitas gambar.
3. Kontras yang Ditingkatkan: Pelapisan emas juga dapat meningkatkan kontrast dalam gambar SEM, membantu dalam mengidentifikasi dan memahami dengan lebih baik detail morfologis dari sampel.

Baca juga: Mengapa Sampel Scanning Electron Microscope (SEM) perlu Dilapisi Emas? Berikut Jawabannya – Warung Sains Teknologi (warstek.com)

Prinsip Fisika dari SEM

Untuk SEM, prinsip utamanya terkait dengan sifat gelombang partikel dan penggunaan medan elektromagnetik untuk menghasilkan gambar mikroskopis. Berikut adalah beberapa prinsip fisika yang menjadi landasan untuk SEM:

1. Dual Nature of Electrons (Sifat Dualisme Elektron): Model gelombang-partikel untuk elektron, yang merujuk pada sifat dualisme elektron, adalah dasar dari banyak teknologi, termasuk SEM. Elektron dapat bersifat seperti gelombang dan partikel yang memungkinkannya untuk digunakan dalam teknik pemindaian dan pembentukan gambar.
2. Pembiasan Elektron (Electron Beam Scanning): SEM menggunakan pembiasan elektron untuk menghasilkan gambar. Prinsip ini melibatkan pemindai elektron yang diarahkan pada sampel. Interaksi antara elektron dan sampel menghasilkan sinyal yang kemudian diterjemahkan menjadi gambar.
3. Difraksi Elektron (Electron Diffraction): Prinsip difraksi elektron, yang mirip dengan difraksi sinar-X, dapat digunakan dalam SEM untuk mendapatkan informasi tentang struktur kristal sampel.
4. Fokus Elektron (Electron Focusing): Untuk menghasilkan gambar dengan resolusi tinggi, SEM menggunakan lensa elektromagnetik untuk fokuskan beam elektron pada sampel. Prinsip fokus ini penting untuk mendapatkan detail yang tajam dalam gambar.
5. Deteksi Sinyal Elektron (Electron Signal Detection): Sinyal elektron yang dihasilkan oleh interaksi antara elektron dan sampel kemudian dideteksi dan diterjemahkan menjadi gambar oleh perangkat deteksi yang sesuai.
6. Analis Kimia dengan EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy): Beberapa SEM dilengkapi dengan detektor energi dispersif (EDS), yang memanfaatkan sifat emisi sinar-X dari sampel untuk melakukan analisis komposisi kimia.

Yang perlu diperhatikan sebelum melakukan pengujian SEM

Sebelum menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM), ada beberapa karakteristik pengukuran yang perlu dipertimbangkan untuk memastikan bahwa alat ini akan memberikan data dan informasi yang sesuai dengan tujuan penelitian atau aplikasi tertentu. Berikut adalah beberapa karakteristik kunci yang harus dipertimbangkan:

1. Resolusi:Resolusi SEM merujuk pada kemampuan untuk membedakan dua objek yang sangat dekat satu sama lain. Resolusi tinggi sangat penting untuk mendapatkan gambar dengan detail maksimal. Ada dua jenis resolusi dalam SEM: resolusi spasial (resolusi gambar) dan resolusi energi (kemampuan untuk membedakan antara perbedaan energi elektron).
2. Kedalaman Penetrasi Elektron:Ini mengacu pada kedalaman sampel yang dapat dijelajahi oleh elektron. Ini penting untuk memilih kondisi eksperimen yang memungkinkan pemeriksaan bagian dalam sampel tanpa mengorbankan resolusi permukaan.
3. Kemampuan Analisis Kimia:Beberapa SEM dilengkapi dengan detektor energi dispersif (EDS) atau sistem analisis energi dispersif (EDS) yang memungkinkan analisis komposisi kimia dari elemen-elemen pada sampel. Kemampuan ini penting untuk penelitian material dan karakterisasi kimia.
4. Ketelitian dan Reproduktibilitas:Ketelitian dan reproduktibilitas pengukuran merupakan karakteristik penting untuk memastikan bahwa hasil yang diperoleh dapat diandalkan dan dapat direproduksi. Hal ini diperlukan terutama dalam eksperimen yang melibatkan pengukuran berulang atau perbandingan antara sampel.
5. Kecepatan Pemindaian:Kecepatan pemindaian menjadi pertimbangan terutama jika pengukuran dilakukan dalam waktu yang sangat singkat atau jika sampel memiliki potensi untuk rusak akibat paparan berkepanjangan terhadap sinar elektron.
6. Preparasi Sampel:Persiapan sampel melibatkan langkah-langkah seperti pelapisan sampel, pengeringan, dan perlakuan khusus lainnya. Keadaan persiapan sampel ini dapat memengaruhi hasil akhir dan perlu dipertimbangkan dengan hati-hati.
7. Ketersediaan dan Biaya Operasional:Faktor ekonomi, termasuk biaya perawatan, perbaikan, dan operasional, harus dipertimbangkan. Selain itu, ketersediaan akses ke peralatan dan dukungan teknis dapat memainkan peran penting.
8. Aplikasi dan Tujuan Penelitian:Pengguna harus mempertimbangkan apakah SEM adalah alat yang paling sesuai untuk kebutuhan dan tujuan penelitian mereka. Beberapa pengukuran mungkin memerlukan teknik atau instrumen tambahan.
9. Kondisi dan Tipe Sampel:Karakteristik fisik dan kimia dari sampel harus dipertimbangkan, termasuk keberadaan unsur atau senyawa tertentu, serta apakah sampel bersifat konduktif atau non-konduktif.

Cara SEM menghasilkan gambar berwarna

Secara alami, Scanning Electron Microscope (SEM) menghasilkan gambar dalam skala abu-abu atau hitam putih. Namun, ada beberapa metode dan teknik yang dapat digunakan untuk memberikan tampilan “berwarna” pada gambar SEM. Perlu diingat bahwa warna yang ditambahkan ini bukan warna sejati seperti pada gambar mikroskop optik, melainkan pseudocolor atau penambahan warna untuk membedakan berbagai fitur dalam gambar. Berikut adalah beberapa cara untuk memberikan tampilan berwarna pada gambar SEM:

1. Pewarnaan Digital (Digital Colorization):Metode ini melibatkan pewarnaan digital komputer untuk menambahkan warna ke gambar SEM. Dalam proses ini, berbagai fitur diidentifikasi dan ditandai dengan warna tertentu. Ini sering digunakan untuk menyorot berbagai elemen atau struktur dalam sampel.
2. Pewarnaan Kimia (Chemical Coloring):Beberapa penelitian SEM melibatkan pewarnaan kimia menggunakan teknik seperti EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) untuk mengidentifikasi komposisi kimia berbagai bagian dari sampel. Setelah itu, informasi komposisi tersebut dapat diwakilkan dengan warna yang sesuai.
3. Topografi Pseudo-warna (Pseudo-color Topography):Pewarnaan ini digunakan untuk menyoroti perubahan topografi atau ketinggian dalam sampel. Permukaan yang lebih tinggi atau lebih rendah dapat diberi warna tertentu untuk membedakan struktur dalam gambar.
4. Bentuk dan Kekerasan Pseudo-warna (Pseudo-color Shape and Hardness):Beberapa teknik melibatkan penambahan warna untuk menyoroti bentuk dan kekerasan relatif dari bagian-bagian dalam sampel. Ini memungkinkan peneliti untuk memahami lebih baik struktur dan sifat material.
5. Teknik Backscattered Electron (BSE) Imaging:Dalam teknik BSE, sinyal elektron yang dipantulkan oleh inti atom dalam sampel digunakan untuk membuat gambar. Pseudo-warna dapat diterapkan untuk memberikan kontrast tambahan pada berbagai elemen dalam sampel.

Penting untuk dicatat bahwa warna yang ditambahkan pada gambar SEM biasanya tidak mencerminkan warna sejati dari objek tersebut. Sebaliknya, warna tersebut digunakan sebagai alat visualisasi untuk membedakan antara fitur-fitur yang berbeda atau memberikan informasi tambahan tentang sampel. Selalu dianjurkan untuk mengikuti prinsip-prinsip dan praktik-praktik terbaik dalam menerapkan teknik pewarnaan pada gambar SEM untuk memastikan representasi yang akurat dan bermakna.

Keunggulan SEM

1. Resolusi Tinggi: SEM dapat memberikan gambar dengan resolusi sangat tinggi, bahkan hingga skala nanometer.
2. Ketajaman Detail: SEM memungkinkan pengamatan detail permukaan sampel, bahkan pada tingkat nanoskala.
3. Analisis Kimia: Beberapa SEM dilengkapi dengan detektor energi dispersif (EDS) yang memungkinkan analisis kimia sampel.

Penerapan SEM dalam Penelitian

Scanning Electron Microscope (SEM) memiliki berbagai penerapan yang luas dalam dunia penelitian, membuka pintu untuk pemahaman yang lebih mendalam tentang struktur dan sifat material mikroskopis. Berikut adalah beberapa bidang penelitian di mana SEM menjadi alat yang sangat berharga:

1. Ilmu Material

• Karakterisasi Material: SEM digunakan untuk mengamati dan menganalisis struktur mikroskopis material, termasuk logam, keramik, dan polimer. Ini membantu dalam pengembangan dan perbaikan material baru.
• Analisis Kekerasan dan Kekuatan Material: Dengan SEM, peneliti dapat memeriksa permukaan material untuk mengevaluasi struktur kristal dan menilai karakteristik kekuatan dan kekerasan material.
• Penelitian Material Nanostruktural: Dalam skala nanometer, SEM memberikan wawasan mendalam tentang sifat material nanostruktural, yang relevan untuk pengembangan nanoteknologi.

2. Biologi dan Ilmu Kesehatan

• Studi Struktur Sel: SEM memungkinkan para peneliti untuk mengamati struktur permukaan sel dengan resolusi tinggi, membantu memahami detail tentang morfologi sel dan interaksi sel-sel.
• Studi Mikroorganisme: SEM digunakan untuk mengamati mikroorganisme seperti bakteri dan virus, membantu dalam pemahaman tentang struktur dan perilaku mikroorganisme.
• Pengembangan Obat dan Vaksin: Dengan memahami struktur mikroskopis organisme patogen, SEM mendukung penelitian pengembangan obat dan vaksin.

3. Geologi dan Ilmu Bumi

• Analisis Mineral: Dalam studi geologi, SEM membantu mengidentifikasi dan menganalisis mineral dalam batuan, memberikan informasi penting tentang sejarah geologi suatu wilayah.
• Penelitian Sedimen dan Tanah: SEM digunakan untuk memeriksa struktur mikroskopis sedimen dan tanah, membantu dalam pemahaman proses geomorfologi dan lingkungan.

4. Ilmu Lingkungan

• Analisis Partikel Udara: SEM membantu dalam karakterisasi partikel udara dan debu, memberikan informasi tentang komposisi dan sumber polusi udara.
• Studi Mikroplastik: Dengan kemampuan resolusi tinggi, SEM mendukung penelitian terkait mikroplastik dalam lingkungan, termasuk laut dan air tawar.

5. Ilmu Pangan

• Analisis Struktur Pangan: SEM digunakan untuk memeriksa struktur mikroskopis bahan pangan, seperti tekstur dan distribusi partikel dalam makanan.
• Kontaminasi dan Keamanan Pangan: Dengan SEM, peneliti dapat mengidentifikasi kontaminan mikroskopis dalam bahan pangan dan mengamati struktur mikroorganisme yang dapat mempengaruhi keamanan pangan.

6. Teknologi Elektronik dan Nanoteknologi

• Pengembangan dan Karakterisasi Nanomaterial: SEM membantu dalam memahami sifat dan perilaku nanomaterial, mendukung pengembangan teknologi elektronik dan nanoteknologi.
• Pengujian Device Elektronik: Dengan kemampuannya untuk mengamati struktur pada tingkat nanometer, SEM mendukung pengujian dan pengembangan berbagai device elektronik.

Kesimpulan

Scanning Electron Microscope (SEM) adalah alat yang mengubah cara kita melihat dunia mikroskopis. Dengan kemampuannya untuk memberikan gambar tiga dimensi dengan resolusi tinggi, SEM telah menjadi aset berharga dalam berbagai bidang penelitian. Seiring teknologi terus berkembang, penggunaan SEM diharapkan terus memainkan peran kunci dalam pemahaman mendalam terhadap struktur dan sifat material mikroskopis.

Referensi

1. “Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis“ oleh Joseph I. Goldstein, Dale E. Newbury, David C. Joy, Charles E. Lyman, Patrick Echlin, Eric Lifshin, Linda Sawyer, and John R. Michael.Buku ini adalah salah satu buku teks standar di bidang SEM dan mikroanalisis sinar-X. Memberikan pandangan komprehensif tentang teknik penggunaan SEM dan analisis sinar-X bersama dengan studi kasus dan aplikasi praktis.
2. “Introduction to Scanning Electron Microscopy” oleh Konstantin M. Ignatyev.Buku ini memberikan pengantar yang baik untuk prinsip dasar dan aplikasi SEM. Merupakan sumber yang baik untuk mereka yang baru memulai di bidang ini.
3. “Scanning Electron Microscopy for the Life Sciences” oleh Heide Schatten.Fokus buku ini terutama pada penggunaan SEM di bidang biologi dan ilmu kesehatan. Memberikan wawasan yang mendalam tentang cara SEM dapat digunakan dalam studi struktur sel dan mikroorganisme.
4. “Principles and Applications of Electron Microscopy” oleh Jane Hamilton and Agnes Kane.Meskipun tidak hanya tentang SEM, buku ini memberikan pemahaman yang kokoh tentang dasar-dasar mikroskopi elektron dan mencakup berbagai teknik termasuk SEM.
5. “Scanning Electron Microscopy of Cerebellar Cortex” oleh Orly Reiner dan Ari Elson.Buku ini lebih bersifat spesifik, membahas penggunaan SEM dalam penelitian neurosains, dengan fokus khusus pada korteks serebelum.
6. “Scanning Electron Microscopy and Transmission Electron Microscopy of Matrices for Biomedical Applications” oleh Alina Maria Holban dan Alexandru Mihai Grumezescu.Buku ini membahas penggunaan SEM dan TEM dalam konteks aplikasi biomedis dan memberikan wawasan tentang pengembangan material untuk aplikasi kesehatan.