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^[1] hingga 20 nanometer.

Tidak diketahui secara persis siapa sebenarnya penemu mikroskop pemindai elektron ini. Penanggung jawab dari sejarah awal SEM telah diajukan oleh McMullan.^[2][3] Walau, publikasi pertama kali yang mendiskripsikan teori SEM dilakukan oleh fisikawan Jerman Dr. Max Knoll pada 1935,^[4] meskipun fisikawan Jerman lainnya Dr. Manfred von Ardenne mengklaim dirinya telah melakukan penelitian suatu fenomena yang kemudian disebut SEM hingga tahun 1937.^[5] Mungkin karena itu, tidak satu pun dari keduanya mendapatkan penghargaan nobel untuk penemuan itu.^[6]

Pada 1942 tiga orang ilmuwan Amerika yaitu Dr. Vladimir Kosma Zworykin,^[7] 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^{[8][9][10][11]} 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.

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,^[12] 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.

Mikroskop pemindai elektron dilengkapi dengan katode 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 katode). 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 katode dengan SEM, oleh modulasi intensitas tabung oleh sinyal sekunder. Gambar sampel kemudian muncul di layar fosfor dari tabung sinar katode 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

• 
  Citra SEM dari darah manusia normal yang tengah beredar.
• 
  Citra SEM dari hederelloid dari Devonian dari Michigan (diameter tabung terbesar adalah 0.75 mm). SEM digunakan secara luas untuk menangkap gambar rinci fosil mikro dan makro.
• 
  Citra pancaran-balik elektron (BSE) dari wilayah yang kaya antimon dalam sebuah fragmen kaca kuno. Museum menggunakan SEM untuk mempelajari artefak berharga dengan cara tak merusak.
• 
  Dua gambar dari kristal mendalam hoar salju yang sama, dilihat melalui mikroskop cahaya (kiri) dan sebagai sebuah citra SEM (kanan). Perhatikan bagaimana citra SEM memungkinkan untuk persepsi yang jelas tentang rincian struktur halus yang sulit untuk sepenuhnya membuat keluar dalam gambar mikroskop cahaya.

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.

• 
  Citra SEM dari lapisan tahan cahaya digunakan dalam pembuatan semikonduktor diambil dengan SEM emisi medan.
• 
  Citra SEM dari permukaan batu ginjal menunjukkan kristal tetragonal dari Weddellite (kalsium oksalat dihidrat) muncul dari bagian tengah amorf dari batu. Panjang horizontal gambar mewakili 0.5 mm dari bentuk asli.
• 
  Sel epidermis dari permukaan bagian dalam dari sebuah serpihan bawang. Di bawah dinding sel seperti-shargreen dapat melihat inti dan organel kecil yang mengambang di sitoplasma. Citra-BSE dari sampel bernoda lantanoid diambil tanpa fiksasi sebelumnya, atau dehidrasi, atau pemercikan.

Mikroskop pemindai elektron memungkinkan untuk mengetahui gambar skala horizontal, tapi tidak tentu skala vertikal mereka: tidak seperti mikroskop lain seperti atom mikroskop, mikroskop pemindai elektron tidak aslinya adalah instrumen topografi.

Namun, adanya komputer yang diizinkan menggunakan artefak untuk membuat gambar tiga dimensi. Di antara metode berikut, dua yang pertama adalah yang paling sering digunakan:

• Dengan membuat dua gambar berturut-turut dari sampel dengan sudut yang berbeda, bantuan tersebut dapat dibentuk kembali dengan metode fotogrametri:

• 
  Pasangan citra SEM dari stereo mikrofosil dari Ostracoda diperoleh dengan memiringkan sampel antara dua gambar.
• 
  Dari pasangan stereo ini, dimensi ketiga dibangun kembali oleh fotogrametri menggunakan perangkat lunak MountainsMap SEM; suksesi representasi 3D pada sudut yang berbeda kemudian dilakukan dan dirakit menjadi animasi ini dalam gambar GIF.

• Menggunakan detektor empat kuadran, dimungkinkan untuk merekonstruksi gambar relief dengan menganalisis refleksi diferensial (disebut "bentuk dari bayangan"), sejauh lereng wajar: lereng vertikal dan overhang diabaikan, sehingga jika seluruh bidang ditempatkan pada permukaan yang datar, hanya belahan atasnya muncul setelah rekonstruksi 3D.
• Metode yang sama juga dapat digunakan dengan satu gambar untuk menghasilkan efek non-metrologi pseudo-3D jika elektron cukup merumput di atas permukaan yang relatif datar:

• 
  Citra SEM mata lalat dengan perbesaran 450 ×.
• 
  Detail dari gambar sebelumnya
• 
  Rekonstruksi 3D dari citra SEM ini menggunakan algoritme "Shape from shading".
• 
  Metode yang sama, tapi setelah homogenisasi perangkat lunak pencahayaan

Beberapa pabrik menawarkan secara langsung mikroskop untuk merekonstruksi topografi, dan juga terdapat perangkat lunak komersial khusus yang kompatibel dengan berbagai instrumen pasar.

Kegunaan bantuan rekonstruksi 3D seperti pengetahuan kekasaran (adhesi) dari daerah yang dikembangkan (area efektif untuk reaksi kimia, dengan rasio luas horisontal yang diproyeksikan), pengukuran dimensi MEMS, atau cukup kepentingan dalam hal visualisasi 3D (permukaan diputar secara retrospektif untuk mengubah sudut pandang).

Pasaran untuk mikroskop (semua jenis) diperkirakan mencapai 811,000,000 USD, dimana sekitar 60% dihasilkan oleh mikroskop optik.^[1] Dengan 26%, mikroskop elektron menempati tempat kedua dari pasar ini, diperkirakan pada tahun 1999 oleh Global Information Inc sekitar $ 222,000,000.^[13] 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.^[1]

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.^[14]

• Charles William Oatley (1972). The Scanning electron microscope. Pt 1, The instrument. London: Cambridge University Press. ISBN 0-521-08531-4. 
• Michael T. Postek (1997). The Scanning Electron Microscope dalam Handbook of Charged Particle Optics. University of Maryland: CRC Press. ISBN 0-8493-2513-7. 
• Joseph Goldstein, Dale E. Newbury, Patrick Echlin, Charles E. Lyman, David C. Joy, Eric Lifshin, L. C. Sawyer, J. R. Michael (1992). Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis (dalam bahasa français) (edisi ke-3). Springer Verlag. ISBN 978-0306472923.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)Pemeliharaan CS1: Menggunakan parameter penulis (link) Pemeliharaan CS1: Bahasa yang tidak diketahui (link)
• C. Le Gressus, Microscopie électronique à balayage, Techniques de l’Ingénieur, 1995, dalam Analyse et caractérisation.

Wikibooks memiliki buku di:

Nanotechnology

Wikimedia Commons memiliki media mengenai Mikroskopi pemindai elektron.

Wikimedia Commons memiliki media mengenai Citra mikroskopi pemindai elektron.

Umum

• HowStuffWorks – How Scanning Electron Microscopes Work
• Notes on the SEM Diarsipkan 2011-09-11 di Wayback Machine. Notes covering all aspects of the SEM
• Scanning Electron Microscopy basics an animated tutorial on how SEM works
• Virtual SEM – sparkler. Interactive simulation of a scanning electron microscope (SEM)
• Preparing a Sample for the SEM preparing a non-conducting subject for the SEM (QuickTime-movie)
• multichannel color SEM imaging and
• DDC-SEM image examples
• Video on the scanning electron microscope, Karlsruhe University of Applied Sciences
• animations and explanations on various types of microscopes including electron microscopes (Université Paris Sud)

Sejarah

• Microscopy History links Diarsipkan 2010-12-30 di Wayback Machine. from the University of Alabama Department of Biological Sciences
• Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM) history

Gambar

• Rippel Electron Microscope Facility Diarsipkan 2007-03-19 di Wayback Machine. Many dozens of (mostly biological) SEM images from Dartmouth College.
• Lanthanoid staining SEM images from Research Institute of Eye Diseases, Moscow.