Berkenalan dengan SPM (Scanning Probe Microscope): AFM (atomic Force Microscope)

Handphone, PSP, ataupun laptop computer adalah barang-barang yang tidak asing lagi ada di sekitar kita. Barang-barang itu begitu kecil tapi sangat membantu pekerjaan kita. Bisa menghitung, menyimpan, dan menampilkan tulisan ataupun gambar yang kita inginkan. Namun, pernahkah dari kita memikirkan apa sebenarnya isi sebuah handphone, PSP, ataupun laptop computer. Iya, isinya spare-part elektronik seperti resistor, kapasitor, transistor dan lain-lain masih sama seperti isi radio, televisi, ataupun computer besar saman dulu, tetapi perbedaan besarnya hanya pada ukurannya saja. Spare-part elektronik yang menyusun alat-alat elektronik zaman sekarang ukurannya sangat kecil. Umumnya ukurannya di bawah 1 mikrometer. Lebih kecil dari ukuran rambut kita dibagi 50 kali. Untuk ukuran transistor bahkan jauh lebih kecil. Seperti iklan-iklan yang ditampilkan di televisi. Ukuran transistor yang digunakan perusahaan intel sekarang dalam proses pembuatan processornya telah mencapai sekecil 32 nm. Dalam dunia penelitian bahkan mungkin jauh lebih kecil. Lalu untuk membuat dan menyusun spare-part elektronik tersebut bagaimana cara? Bagaimana mengeceknya? Bagaimana mengamatinya? Tentu masih banyak pertanyaan-pertanyaan lainnya yang begitu banyak yang menguras rasa ingin tahu kita.

Untuk mengamati ukuran benda kecil tentu alat yang muncul dalam pikiran kita pertama kali adalah mikroskop (gambar 1). Mikroskop biasa memanipulasi cahaya untuk menampilkan benda yang begitu kecil sehingga tampak besar. Karena cara kerjanya dengan memanfaatkan cahaya, mikroskop ini mempunyai keterbatasan dalam tingkat ketelitian yang dipengaruhi panjang gelombang cahaya. Mikroskop ini tidak bisa dipake untuk mengamati benda-benda yang berukuran lebih dari beberapa ratus nm atau lebih kecil dari panjang gelombang cahaya tampak terkecil. Selain mikroskop biasa ini, tentu kita pernah mendengar yang namanya mikroskop electron atau Scanning Electron Microscope(SEM) (gambar 2). SEM bekerja dengan memanipulasi pulsa-pulsa(pancaran) electron seperti halnya cahaya pada mikroskop biasa dan ditabrakan ke dalam obyek benda. Hasil tabrakan eletron dengan benda yang berupa gelombang ataupun partikel subatom ditangkap dengan sensor dan kemudian diolah dengan computer menjadi gambar perbesaran dari benda tersebut. Sama seperti mikroskop biasa, ketelitian SEM dipengaruhi oleh panjang gelombang elektronnya. Menurut perhitungan panjang gelombang de Broglie, ketelitiannya hanya sampai 10 nm yang dipengarui oleh percepatan elektronnya. Namun, berkat penelitian dan kemajuan teknologi yang pesat saat ini ketelitian SEM telah mencapai 0.1 nm atau setingkat dengan besarnya satu atom. Hal ini membuka pintu besar dalam perkembangan teknologi elektronik yang memnfaatkan teknologi nanometer dewasa ini.

Gambar 1. Mikroskop

Gambar 2. SEM

 

Namun, dalam dunia pengamatan dan penelitian skala nanometer kebutuhan untuk mengetahui tekstur luas dan tinggi rendah (3 dimensi) suatu permukaan menjadi penting. SEM walaupun tingkat ketelitian mendatarnya (2 dimensi) sekarang sudah begitu hebat namun tidak bisa menampilkan hasil pengamatan 3 dimensi. Alat yang mampu menampilkan hasil pengamatan 3 dimensi dengan tingkat ketelitian mendatar dan ketelitian vertical adalah SPM(Scanning Probe Microsope). Kelemahan SEM lainnya yaitu sampelnya harus dimasukkan ke dalam ruangan tekanan rendah(hampa udara) dan akan dibombardir dengan pancaran electron yang akan menyebabkan sampel organic rusak.

Berbeda dengan mikroskop biasa dan SEM yang memanfaatkan manipulasi cahaya dan electron menggunakan lensa, SPM menggunakan probe atau jarum yang disebut cantilever (gambar 4). (Tentu saja SEM tidak menggunakan lensa biasa tetapi menggunakan manipulasi medan magnet sehingga berlaku seperti lensa). Metode penggunaan cantilever ini tentu saja sangat berbeda dengan metode-metode sebelumnya. Metode ini ibaratnya kita menggunakan tangan untuk meraba-raba bidang yg kita periksa. Kita menggunakan tangan meraba-raba seluruh permukaan tubuh gajah. Setelah selesai kita bisa menggambarkan bentuk permukaan yang kita raba dan menyimpulkan itu benda tersebut gajah. Jadi, pengamatannya dilakukan secara tidak langsung.  Tentu saja untuk menghasilkan ketelitian sampe di bawah nanometer digunakan cantilever dengan diameter ujung(tip) beberapa nanometer. Jenis SPM sendiri ada bermacam-macam berdasarkan prinsip cara kerjanya. Ada STM (Scanning Tunnelling Microscope), AFM(Atomic Force Microscope), NSOM(Near-field Scanning Optical Microscope). Prinsip kerjanya pada dasarnya sama yang berbeda adalah energy, kekuataan, gaya apa yang bekerja di antara cantilever dan sampel yang dijadikan dasar dalam menentukan tekstur permukaan sampel. energy, kekuataan, gaya inilah yang biasnaya menentukan SPM seperti contoh di atas. Kali ini SPM yang dibahas di sini adalah jenis AFM.

Gambar 3. Prinsip Kerja AFM

AFM bekerja memanfaatkan gaya tarik-menarik dan tolak-menolak yang bekerja antara cantilever dan permukaan sampel pada jarak beberapa nanometer. Persamaan gaya ini dinyatakan dalam persamaan potensial Lennard-Jones. Saat jarak cantilever dan sampel  menjauh gaya tarik menarik terjadi sedangkan saat jarak cantilever dan sampel mendekat gaya tolak menolak terjadi. Pada AFM (gambar 3) cantilever bekerja meraba-raba(melakukan scanning) terhadap permukaan sampel dengan jarak antara ujung cantilever(Tip) dengan permukaan sampel sambil menjaga jarak antara cantilever dengan permukaan sampel tetap sama. Gaya tarik menarik dan tolak menolak yang terjadi di antaranya menyebabkan perubahan posisi cantilever. Perubahan posisi cantilever selama meraba-raba permukaan sampel ditangkap dengan laser dan menyebabkan perubahan pantulan laser pada photodiode. Perubahan posisi tangkapan laser pada photodiode ini diolah dengan rangkaian elektronik dan computer untuk kemudian diwujudkan dalam wujud data gambar 3 dimensi pada layar monitor. Selama proses perabaan(scanning), pengaturan jarak antara cantilever dan permukaan sampel dan juga pergerakan sampel diatur secara simultan dan sinergis melalui komunikasi antara rangkaian elektronik dengan computer dengan cantilever dan piezoelektronik (gambar 3.A-B). Dengan memanfaatkan gaya ini berbagai macam sampel dapat diamati tidak terbatas hanya pada benda yang bisa menghantarkan listrik saja. AFM juga bisa bekerja pada suhu ruangan dan tekanan udara biasa. Hal ini menyebabkan sampel organic pun bisa diamati dengan AFM. Untuk meningkatkan kemampuan AFM, diameter ujung tip yang sangat kecil sangat diperlukan dan juga frekuensi resonansi cantilever yang tinggi agar sensitifitas terhadap perubahan posisi cantilever meningkat dan AFM bisa bekerja dengan lebih cepat.

Gambar 4. Cantilever

Metode kerja AFM sendiri ada beberapa macam di antaranya adalah

  1. Metode Sentuh

Pada metode sentuh, cantilever disentuhkan ke dalam permukaan sampel. Sambil scanning dilakukan, perubahan posisi cantilever akibat gaya tolak menolak antara cantilever dan permukaan sampel diolah dan diwujudkan dalam data gambar 3 dimensi permukaan sampel.

Gambar 5. Metode sentuh

  1. Metode Tak sentuh

Pada metode tak sentuh, gaya yang bekerja antara cantilever dan permukaan benda diatur agar tidak berubah. Pada awalnya cantilever digetarkan pada frekuensi resonansinya. Sambil scanning dilakukan, perubahan tekstur atau jarak antara cantilever dan permukaan benda menyebabkan terjadinya gaya antara keduanya yang merubah frekuensi resonansinya. Gaya tarik menyebabkan frekuensi resonansi turun. Gaya tolak menyebabkan frekuensi resonansi naik.

Gambar 6. Metode tak sentuh

  1. Metode Tapping
  2. Metode Step-in

Dua metode yang terakhir akan dibahas pada kesempatan yang lain. Penelitian dalam rangka meningkatkan kemampuan dan menemukan metode baru SPM maupun AFM ini terus berlanjut. Salah satu tujuannya adalah agar dapat dimanfaatkan dalam scanning terhadap DNA secara instan. Prinsip kerja berdasarkan efek raman juga sedang ramai diteliti. Dalam metode kerjanya juga baru-baru ini diusulkan metode pengambilan datanya secara 3 dimensi jadi tidak hanya hasil datanya saja yang 3 dimensi. Hal ini mengindikasikan bahwa pengembangan SPM masih akan terus berlanjut.

5 comments

  1. Info yang bagus pak, kalau boleh tahu perbesaran AFM dari berapa kalai sampai berapa juta kali pak yang ada sekarang

    salam

    adi

    1. Cara kerja AFM beda dengan mikroskop cahaya dan SEM. AFM tidak bekerja dengan memproyeksikan objek dg media tertentu spt cahaya atau pulsa elektron. Kedetailan AFM lebih bergantung kepada ukuran ujung tip cantilever dan resolusi pengambilan data di permukaan objeknya. Ukuran ujung tip cantilever sendiri yang sering saya pake berdiameter sekitar lebih kecil dr 6 nm an. Pada prakteknya sering ujung cantilever ini menjadi besar karena rusak atau proses oksidasi dll. Resolusi AFM sendiri bisa mencapai nol koma sekian nanometer.

    1. Dear Pak Herman,

      Terima kasih atas pertanyaannya. Untuk meletakkan cantilever dekat dengan sampel, cantilever didekatkan secara sedikit demi sedikit dengan memanfaatkan bahan piezoelektrik. Seperti proses pemuaian besi/logam karena panas, bahan piezoelektrik dapat memanjang dan memanpat dikontrol oleh arus/tegangan listrik. Dengan mengontrol arus/tegangan listrik dengan presisi tinggi, gerakan memanjang bahan piezoelektrik dapan dikrontrol dengan skala sangat kecil hingga bbrp mikro/nanometer.
      Bahan piezoelektrik dipasang di antara sampel dan cantilever. Bahan piezoelektrik dikrontrol sedikit demi sedikit agar cantilever mendekat dengan sampel. Gaya yang bekerja antara ujung cantilever dan permukaan sampel juga diukur sedemikian rupa shg saat gayanya menjadi nilai tertentu cantilevernya di stop. Pada saat itu jarak antara cantilever dan permukaan sampel ditentukan oleh besarnya gaya tersebut,

      Silakan.

  2. Salam Hangat Pak,

    Mohon info tempat di Indonesia yang memiliki fasilitas AFM.
    Karena Saya butuh training basic mengenai AFM, minimal tahu cara menggunakan AFM dengan baik dan benar atau Bisakah saya training dengan bapak langsung?

    Terima kasih atas informasinya.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s