Mikroskop pemindai elektron

Mikroskop pemindai elektron (Scanning Electron Microscope; SEM) adalah jenis mikroskop elektron yang mencitrakan permukaan sampel oleh pemindaian dengan pancaran tinggi elektron. Elektron yang berinteraksi dengan atom yang membentuk sampel menghasilkan sinyal yang berisi informasi tentang sampel dari permukaan topografi, komposisi dan sifat lainnya seperti daya konduksi listrik.
Berdasarkan karya Max Knoll dan Manfred von Ardenne pada tahun 1930-an, SEM terdiri dari seberkas elektron yang memindai permukaan sampel yang akan dianalisis dimana, sebagai tanggapan, kembali memancarkan partikel tertentu. Partikel ini dianalisis oleh detektor yang berbeda yang memungkinkan untuk merekonstruksi gambar tiga dimensi dari permukaan.
Saat ini, pemindaian mikroskop elektron digunakan di berbagai bidang mulai dari biologi hingga teknik material, dan banyak produsen menawarkan serangkaian perangkat dengan detektor elektron sekunder dan resolusi yang berkisar antara 0.4 nanometer hingga 20 nanometer.

Sejarah

Tidak diketahui secara persis siapa sebenarnya penemu mikroskop pemindai elektron ini. Penanggung jawab dari sejarah awal SEM telah diajukan oleh McMullan. Walau, publikasi pertama kali yang mendiskripsikan teori SEM dilakukan oleh fisikawan Jerman Dr. Max Knoll pada 1935, meskipun fisikawan Jerman lainnya Dr. Manfred von Ardenne mengklaim dirinya telah melakukan penelitian suatu fenomena yang kemudian disebut SEM hingga tahun 1937. Mungkin karena itu, tidak satu pun dari keduanya mendapatkan penghargaan nobel untuk penemuan itu.
Pada 1942 tiga orang ilmuwan Amerika yaitu Dr. Vladimir Kosma Zworykin, Dr. James Hillier, dan Dr. Snijder, benar-benar membangun sebuah metode mikroskop pemindai elektron (SEM) dengan resolusi hingga 50 nm atau magnifikasi 8.000 kali, diikuti dengan kelompok Cambridge pada tahun 1950-an dan awal tahun 1960-an Sebagai perbandingan SEM modern sekarang ini mempunyai resolusi hingga 1 nm atau pembesaran 400.000 kali. Mikroskop elektron dengan cara ini memfokuskan sinar elektron (electron beam) di permukaan objek dan mengambil gambarnya dengan mendeteksi elektron yang muncul dari permukaan objek.

Preparasi sampel

Sampel untuk SEM dapat berupa padatan, spesimen ruah dari berbagai ukuran yang akan muat dalam ruang spesimen. Sampel umumnya dipasang dengan kuat pada dudukan spesimen yang disebut stub spesimen menggunakan perekat konduktif, namun penjepit mekanik adalah alternatif yang mungkin. Beberapa model SEM bisa meneliti setiap bagian dari suatu wafer semikonduktor berukuran 6-inci (15 cm), dan beberapa dapat memiringkan objek dengan ukuran tersebut sebesar 45° dan memberikan terus menerus rotasi 360°.
Spesimen nonkonduktif cenderung bermuatan ketika dipindai oleh berkas elektron, dan terutama dalam modus pencitraan elektron sekunder, hal ini menyebabkan kesalahan pemindaian gambar dan artefak lainnya. Untuk pencitraan konvensional dalam SEM, spesimen harus konduktif listrik, setidaknya di permukaannya, dan direndahkan untuk mencegah akumulasi muatan elektrostatik. Benda logam memerlukan sedikit persiapan khusus untuk SEM kecuali untuk membersihkan dan pemasangan pada rintisan spesimen. Material non konduktif biasanya dilapisi dengan lapisan ultra tipis material pengkonduksi listrik, yang diendapkan pada sampel. Bahan yang konduktif digunakan saat ini untuk lapisan spesimen termasuk emas, paduan emas/paladium, platina, osmium, Iridium, tungsten, kromium, dan grafit. Pelapisan dengan logam berat dapat meningkatkan rasio sinyal/bising bagi sampel dengan nomor atom (Z) rendah. Peningkatan tersebut muncul karena emisi elektron sekunder untuk material dengan Z-tinngi diperkuat.

Prinsip kerja

Mikroskop pemindai elektron dilengkapi dengan katoda serta lensa dan fokus magnetik untuk membuat sebuah balok dari elektron.
Cara terbentuknya gambar pada SEM berbeda dengan apa yang terjadi pada mikroskop optik dan TEM. Pada SEM, gambar dibuat berdasarkan deteksi elektron baru (elektron sekunder) atau elektron pantul yang muncul dari permukaan sampel ketika permukaan sampel tersebut dipindai dengan sinar elektron. Elektron sekunder atau elektron pantul yang terdeteksi selanjutnya diperkuat sinyalnya, kemudian besar amplitudonya ditampilkan dalam gradasi gelap-terang pada layar monitor CRT (tabung sinar katoda). Di layar CRT inilah gambar struktur objek yang sudah diperbesar bisa dilihat. Pada proses operasinya, SEM tidak memerlukan sampel yang ditipiskan, sehingga bisa digunakan untuk melihat objek dari sudut pandang tiga dimensi.
Dalam SEM modern, pemetaan elektron sekunder dicatat dalam bentuk digital, tapi SEM yang telah dikembangkan dari awal 1960, jauh sebelum penyebaran penyimpanan komputer berarti melalui proses analog yang terdiri, seperti yang ditunjukkan pada gambar, untuk menyinkronkan pemindaian sinar tabung sinar katoda dengan SEM, oleh modulasi intensitas tabung oleh sinyal sekunder. Gambar sampel kemudian muncul di layar fosfor dari tabung sinar katoda dan dapat direkam pada film fotografi.
Sebuah mikroskop pemindai elektron pada dasarnya terdiri dari pistol elektron dan kolom elektron, yang fungsinya adalah untuk menghasilkan probe elektron baik pada sampel, tahap spesimen untuk memindahkan sampel di tiga arah dan sensor untuk menangkap dan menganalisis radiasi yang dipancarkan oleh sampel. Selain itu perangkat tentu harus dilengkapi dengan sistem pompa vakum

Perbesaran

Perbesaran dalam SEM dapat dikendalikan pada kisaran sekitar 6 kali lipat dari sekitar 10 sampai 500,000 kali. Tidak seperti mikroskop elektron optik dan transmisi, perbesaran gambar dalam SEM bukanlah merupakan fungsi dari kekuatan lensa objektif. SEM mungkin memiliki kondensor dan lensa objektif, tetapi fungsi mereka adalah untuk memfokuskan sinar ke tempat, dan tidak pada gambar spesimen. Asalkan pistol elektron dapat menghasilkan balok dengan diameter cukup kecil, SEM bisa melakukan prinsip kerja yang sama sekali tanpa kondensor atau lensa objektif, meskipun mungkin sangat tidak serbaguna atau mencapai resolusi sangat tinggi. Dalam SEM, seperti pada scanning probe microscopy, perbesaran dihasilkan dari rasio dimensi raster pada spesimen dan raster pada perangkat layar. Dengan asumsi bahwa tampilan layar memiliki ukuran tetap, perbesaran yang lebih tinggi dihasilkan dari mengurangi ukuran raster pada spesimen, dan sebaliknya. Perbesaran karena itu dikendalikan oleh arus yang dipasok ke kumparan pemindai x, y, atau tegangan yang diberikan ke x, piring deflektor y, dan bukan dengan kekuatan lensa objektif.

Pasar

Pasaran untuk mikroskop (semua jenis) diperkirakan mencapai 811,000,000 USD, dimana sekitar 60% dihasilkan oleh mikroskop optik. Dengan 26%, mikroskop elektron menempati tempat kedua dari pasar ini, diperkirakan pada tahun 1999 oleh Global Information Inc sekitar $ 222,000,000. Global Information Inc. juga berkeyakinan bahwa pangsa mikroskop optik akan menurun, mikroskop confocal tetap stabil sementara pasar mikroskop elektron akan mengalami perkembangan dan diperkirakan $ 747,000,000 pada tahun 2005.
Harga rata-rata SEM diperkirakan mencapai $ 200,000 tetapi dapat mencapai satu juta dolar untuk perangkat yang lebih canggih. Namun, mikroskop baru, digambarkan sebagai mikroskop murah (low-cost microscopes) baru-baru ini beredar di pasaran, untuk sepertiga dari harga rata-rata dari SEM.