Spektroskopi Penerobosan Elektron Tak Elastik

Spektroskopi Penerobosan Elektron Tak elastic atau Inelastic electron tunneling spectroscopy (IETS) merupakan spektroskopi yang banyak digunakan untuk identifikasi kimia, investigasi ikatan dan deteksi senyawa. IETS juga banyak digunakan dalam bidang nanoscience dan molecular junction.

IETS mempunyai persamaan dengan spektroskopi inframerah dan Raman karena ketiganya digunakan untuk mendeteksi vibrasi molekul. Spektroskopi inframerah merupakan spektroskopi vibrasi yang paling terkenal dan telah dikembangkan dengan baik untuk mempelajari molekul yang teradospsi pada permukaan substrat. Spektroskopi Raman digunakan ketika spektroskopi inframerah sulit atau bahkan mustahil digunakan seperti pada kasus molekul yang terlarut di dalam solven yang tidak tembus cahaya inframerah. Atau digunakan pula untuk tipe vibrasi yang tidak aktif terhadap inframerah. Keduanya dibandingkan dengan IETS mempunyai sensitivitas yang lebih rendah. Karena interaksi elektron dengan vibrasi molekul lebih kuat daripada dengan foton, maka satu monolayer molekul sudah cukup untuk menghasilkan spektra IET yang baik. Selain itu pada IETS tidak ada aturan seleksi seperti pada IR dan Raman. Mode vibrasi aktif baik terhadap inframerah maupun terhadap Raman akan nampak di spektra IET. 

IETS ditemukan pada tahun 1966 oleh Jaklevic dan Lambe ketika mereka mempelajari efek tunneling pada metal-oxide-metal junction. Alih-alih menemukan efek struktur pita, mereka menemukan pola karakteristik d²I/dv² yang berhubungan dengan eksitasi vibrasional molekul pengotor yang ada pada lapisan insulator.

Gambar 1. Gambaran skematis sistem IETS. Persegi panjang menunjukkan elektroda. Di antara elektroda terdapat molekul yang akan dipelajari. Energi vibrasi molekul ditunjukkan dengan garis putus-putus.

Untuk mengetahui bagaimana IETS bekerja, perhatikan Gambar 1. Saat potensial bias diberikan pada kedua elektroda, elektron akan tunnel dari elektroda kiri ke elektroda kanan. Pada gambar paling kiri, elektron mengalami tunneling secara elastik, yaitu tidak ada perubahan energi sebelum dan sesudah tunneling. Pada gambar bagian tengah, apabila potensial bias diperbesar sehingga potensial bias ini sesuai dengan tingkat energi vibrasi molekul, maka saat elektron akan kehilangan energi sebesar perbedaan energi vibrasi ini. Elektron dikatakan mengalami tunneling secara tidak elastik. Tunneling tak elastik ini merupakan jalur transpor elektron baru selain tunneling elastik. Sehingga pada keadaan ini terdapat dua jalur transpor elektron, secara elastik dan secara tak elastik. Akibatnya peningkatan arus akan lebih besar setelah potensial bias melewati titik ini (Gambar 2). Pada Gambar 1 bagian kanan, molekul mengalami relaksasi dan mengemisikan energi. Apabila energi ini ditangkap oleh elektron maka energi elektron akan kembali seperti semula. Ini dinamakan tunneling elastik tingkat kedua. 

Gambar 2. Saat potensial bias sesuai dengan energi eksitasi vibrasi maka arus tunneling akan bertambah

Pustaka

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleHtml/2011/CS/c0cs00155d

http://en.wikipedia.org/wiki/Inelastic_electron_tunneling_spectroscopy

Read More

Spesktroskopi Raman pada Carbon nanotubes

Mungkin banyak di antara kita yang belum mengenal dengan baik apa itu spektroskopi Raman. Karena itu sebelum membahas tentang aplikasinya untuk karakterisasi nanotube karbon, alangkah baiknya kalau kita membahas dasar-dasar teori spektroskopi ini.

Apakah Spektroskopi Raman itu?
Sama seperti teknik spektroskopi lainnya, prinsip spektroskopi Raman adalah adanya interaksi antara cahaya dan materi. Kalau spektroskopi uv-vis menggunakan berkas cahaya ultraviolet dan cahaya tampak sebagai sumber energi untuk mengeksitasi atom/molekul, spektroskopi raman menggunakan berkas cahaya monokromatis berupa laser. 

Spektroskopi Raman didasarkan atas hamburan tak elastik dari laser yang melewati sampel. Hamburan tak elastik mengandung pengertian bahwa frekuensi laser akan bergeser setelah berinteraksi dengan sampel. Pergeseran itu bisa lebih tinggi atau lebih rendah dari frekuensi awalnya. Pergeseran frekuensi ini menghasilkan informasi mengenai vibrasi, rotasi atau transisi frekuensi rendah lain di dalam molekul. 

Spektra Raman dihasilkan dengan cara menyinari sampel dengan berkas laser monokromatis. Sinar laser yang dihamburkan kemudian ditangkap oleh detektor. Kebanyakan sinar yang dihamburkan memiliki frekuensi yang sama dengan frekuensi awal laser. Hamburan ini dinamakan hamburan Rayleigh atau hamburan elastik karena frekuensinya tidak mengalami perubahan. Hamburan jenis ini tidak berguna untuk identifikasi molekul. Hanya sebanyak 10^-3 % dari cahaya akan dihamburkan dengan frekuensi yang mengalami pergeseran. Pergeseran ini disebabkan adanya interaksi antara berkas sinar dengan tingkat energi vibrasi molekul (Gambar 1).

Gambar 1. Interaksi laser dengan molekul sampel menghasilkan tiga tipe hamburan. Pada hamburan Rayleigh, frekuensi akhir sama dengan frekuensi awal. Pada Hamburan Stokes, frekuensi akhir lebih rendah daripada frekuensi awal. Pada hamburan Ant-Stokes, frekuensi akhir lebih besar daripada frekuensi awal.

Sinyal hamburan Raman (Stokes dan anti-Stokes) itu sangat lemah dan susah dideteksi karena berhimpitan dengan hamburan Rayleigh yang dominan. Karena itu dibutuhkan teknik instrumentasi yang baik agar dapat mendeteksi hamburan Raman.

Spektrometer Raman umumnya terdiri dari empat komponen utama, yaitu sumber laser, sampel, pemilih panjang gelombang (filter) dan detektor. 

Gambar 2. Komponen-komponen penyusun spektrometer Raman

Bagaimana cara membaca spektra Raman?
Tiap-tiap pita pada spektra Raman berhubungan dengan frekuensi vibrasi ikatan di dalam molekul. Kasus yang paling sederhana adalah berlian yang hanya tersusun atas ikatan C-C tetrahedral pada struktur kristalnya. Semua ikatan tertrahedralnya mempunyai kekuatan dan orientasi yang sama. Oleh karena itu spektra Raman berlian sangat sederhana, yaitu hanya berupa pita tunggal.

Gambar 3. Spektra Raman berlian, kristal silikon dan kristal germanium

Kristal silikon dan kristal germanium juga menghasilkan pita tunggal karena keduanya juga mempunyai ikatan tetrahedral. Namun karena berat atom silikon dan germanium lebih besar daripada berlian, maka frekuensi vibrasinya lebih rendah.

Karakterisasi nanotube karbon dengan Spektroskopi Raman

Karbon nanotube tersusun atas atom-atom karbon heksagonal yang menggulung membentuk tabung silinder dengan dinding tunggal ataupun ganda. Sifat dari nanotube karbon dapat bervariasi tergantung pada diameter dan kiralitasnya. Distribusi diameter, kiralitas dan kemurnian nanotube karbon dapat dengan mudah diidentifikasi dengan spektriskopi Raman.

Gambar 4. Spektrum Raman HiPco SWNT dengan panjang gelombang laser λexc = 633 nm

Banyak informasi yang dapat diperoleh dari spektra Raman. Sinyal Raman yang teramati pada spektra Raman adalah radial breathing mode (RBM), pita disorder (D), pita graphite (G) dan pita order kedua dari variasi pita-D.

Pita G
Pita G adalah modus geser tangensial atom karbon yang sesuai dengan modus peregangan pada bidang grafit. Dalam grafit sederhana, mode tunggal diamati pada 1580 cm^-1. Dalam CNT, mode ini berubah menjadi dua mode, yaitu G+ dan G-. Pita G+ yang mempunyai frekuensi lebih tinggi tidak dipengaruhi oleh diameter nanotube. Sedangkan pita G- menjadi lebih lemah untuk diameter CNT yang lebih kecil. Walaupun pita G ini dapat digunakan untuk memprediksi diameter nanotube, namun kurang akurat dibandingkan dengan RBM.
Selain untuk memprediksi diameter, modus tangensial ini berguna untuk membedakan jenis SWNT apakah termasuk metalik dan semikonduktor. Pada SWNT logam, pita G- melebar dan asimetrik karena keberadaan elektron bebas.

Pita D
Pita D adalah fonon longitunal optical (LO) dan diketahui sebagai modus tak teratur atau modus cacat karena cacat diperlukan untuk menghamburkan secara elastis agar kekekalan momentum terpenuhi. Adanya puncak D yang dominan dibandingkan dengan puncak G biasanya mengindikasikan adanya karbon amorf di dalam sampel.
Mode ini biasanya terletak antara 1330 dan 1360 cm^-1 dan memiliki ketergantungan linear pada energi eksitasi laser. Kualitas sampel sering dievaluasi menggunakan rasio intensitas pita D/G. Untuk sampel berkualitas tinggi (tanpa cacat dan tanpa karbon amorf), rasio D/G biasanya kurang dari 2%.

Pita G`
Frekuensi pita G` berada di antara 2500 dan 2900 cm^-1. Ini merupakan proses order kedua dari fonon LO batas dua zona. Pita G` merupakan sifat intrinsik nanotube dan graft dan akan selalu ada bahkan pada nanotube bebas cacat dimana pita D sama sekali tidak teramati.

Pita RBM
Pita RBM merupakan konfirmasi adanya nanotube di dalam sampel karena pita ini tidak muncul pada grafit. Pita ini terletak pada 75 hingga 300 cm^-1 dari garis eksitasi. Pita ini merupakan pergerakan simetrik atom karbon dengan arah radial seperti gerakan kembang kempis pernafasan. Hal yang penting mengenai modus ini adalah fakta bahwa frekuensi RBM hanya tergantung pada diamater nanotube dan tidak dipengaruhi oleh kiralitasnya. Frekuensi RBM berbanding terbalik dengan diameter nanotube (d) dengan persamaan:
ω_RBM = A /d + B
dimana A dan B adalah konstanta yang nilainya tergantung pada efek lingkungan seperti padakan nanotube berada dalam bentuk tunggal, terbungkus surfaktan, pada permukaan substat atau dalam bentuk bundel.
Persamaan di atas biasanya valid hanya kalau diameter nanotube berkisar antara 1-2 nm. Apabila diamaternya kurang dari 1 nm, distorsi kisi nanotube menyebabkan adanya ketergantungan RBM terhadap kiralitas nanotubes. Sebaliknya apabila diamater lebih dari 2 nm, intensitas RBM biasanya lemah dan susah diamati.

Gambar 5. modus vibrasi pita RBM dan pita G

Spektroskopi Raman menghasilkan informasi yang berguna untuk identifikasi CNT. Walaupun modus D, G dan G` ditemukan juga di grafit, namun modus RBM hanya ditemukan pada CNT. Sehingga keberadaan modus RBM merupakan bukti adanya CNT di dalam sampel. Modus D dan G` menyediakan informasi menyenai cacat atau ketidak murnian sampel CNT.

Kelemahan dari spektroskopi Raman adalah ketidakmampuannya dalam identifikasi kuantitatif derajat fungsionalisasi pada dinding nanotubes. Walaupun rasio D/G dapat digunakan sebagai indikasi banyaknya fungsionalisasi, namun rasio ini tidak dapat digunakan secara umum. Dalam arti lain rasio ini tidak dapat digunakan apabila subtituen yang digunakan berbeda. Sebagai contoh pada thiol-SWNT dan thiophene-SWNT. Pada derajat fungsionalisasi yang sama, rasio D/G keduanya berbeda. Untuk MWNT, sinyal Raman menjadi lebih kompleks dan lebih sulit diinterpretasi karena terdapat banyak nanotubes dengan diameter yang berbeda. 

Pustaka: 

http://www3.nd.edu/~kamatlab/facilities_spectroscopy.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Raman_spectroscopy

http://cnx.org/contents/dbcfa4b2-7859-4674-a814-9a79e43d87fd@2/characterization-of-single-walled-carbon-nanotubes-by-raman-spectroscopy

Read More

Prinsip Dasar Mode Ketukan (Tapping Mode) pada Mikroskop Gaya Atom (Atomic Force Microscope = AFM)

Telah dibahas sebelumnya bahwa dalam pengoperasian AFM, kita dapat memilih mode apa yang akan kita gunakan, apakah mode sentuh, mode tak sentuh atau mode ketukan. Masing-masing mode mempunyai kelebihan dan kekurangan. Pada kesempatan kali ini, saya akan mencoba membahas mode ketukan sedikit lebih banyak. 

Di antara mode yang lain , mode ketukan merupakan mode yang paling populer. Metode ini dikembangkan untuk memperbaiki kelemahan pada mode sentuh. Mode sentuh dapat memberikan resolusi yang tinggi namun karena tip diseret sepanjang permukaan sampel, tip menjadi mudah patah. Pada metode ketukan, tip dibawa mendekat permukaan sampel hingga menyentuh namun kemudian tip secara cepat diangkat dari permukaan sampel sehingga tip tidak terseret saat scanning dilakukan.

Metode ketukan dilakukan dengan cara menggetarkan catilever dengan bantuan piezeelectric material. Piezo ini memberi gaya ke atas secara cepat sehingga cantilever akan bergetar pada ujungnya. Hal yang sama dapat kita amati kalau kita memegang sebuah tongkat lentur panjang, misal terbuat dari bilah bambu. Kemudian tangan kita memberi gaya seperti gerakan mengetuk, maka ujung bambu yang jauh dari tangan kita akan berayun bolak-balik melalui titik keseimbangan awal. Apabila ujung bambu tadi kita dekatkan ke tanah, maka seakan-akan bambu itu mengetuk-ketuk tanah secara terus-menerus. Inilah yang terjadi pada cantilever, ujung cantilever dikatakan berosilasi pada frekuensi resonansinya.

Gambar 1. Ujung cantilever yang terdapat tip pada ujung bawahnya akan berosilasi pada frekuensi resonansinya. Ketika cantilever yang sedang berosilasi didekatkan ke permukaan sampel, frekuensi resonansi dan amplitudonya akan turun. (gambar diambil dari www.azonano.com)

Saat cantilever berada jauh di atas permukaan sampel, cantilever dapat berosilasi dengan bebas dengan ampitudo tinggi (biasanya mencapai 20 nm). Cantilever yang sedang berosilasi kemudian dibawa mendekati permukaan sampel hingga menyentuh permukaan. Saat cantilever mendekati permukaan sampel, amplitudo osilasinya berkurang karena ruang untuk berosilasinya menjadi berkurang. Berkurangnya amplitudo digunakan untuk mendapat informasi mengenai kondisi permukaan sampel. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada video di bawah ini.

Read More

Mari Berkenalan dengan Scanning Tunneling Microscopy (STM)

Setelah sedikit pembahasan tentang mikroskop gaya atom (AFM), pada kesempatan kali ini saya tertarik menulis tentang STM. Kebetulan saya dapat pelatihan STM minggu lalu jadi menulis tentang STM membantu saya mengingat prinsip dan cara kerja STM.

AFM dan STM termasuk kelompok Scanning Probe Microscopy (SPM) karena keduanya menggunakan tip sebagai alat peraba permukaan sampel. Perbedaannya terletak pada mekanisme perabaannya. Pada AFM, gaya tarik/tolak antara permukaan sampel dan ujung tip diterjemahkan menjadi informasi morfologi 3D permukaan sampel. Sedangkan pada STM, morfologi permukaan sampel diketahui dari besar kecilnya elektron tunneling yang mengalir saat tip mendekati permukaan sampel. Karena STM bekerja dengan berdasarkan arus tunneling, maka sampel pada STM haruslah bersifat konduktor.

Gambar 1. Gambar STM permukaan Highly Ordered Pyrolitic Graphite (HOPG). Gambar ini menunjukkan dengan jelas susunan heksagonal dari atom-atom karbon pada permukaan grafit. (gambar diambil dari www.aist-nt.com)

STM dikembangkan sebelum AFM, yaitu pada tahun 1982 oleh Gerg Binnig dan Heinrich Rohrer, peneliti dari IBM. Keduanya memenangkan hadiah Nobel pada tahun 1986 atas penemuannya yang sangat mengagumkan. 

Komponen dasar pada STM ada lima, yaitu tip logam, scanner piezoelectric, current amplifier, bipotentiostat (bias) dan feedback loop (current). Kelimanya disusun seperti pada Gambar 2.

Gambar 2. Skema alat STM (diambil dari www.physicscentral.com)

Tip STM terbuat dari bahan yang bersifat konduktif seperti tungsten atau paduan platina-iridium. Tip yang baik adalah tip yang sangat runcing di bagian ujungnya. Cara membuat tip yang runcing sangat mudah. Hanya dengan memotong kawat dengan alat potong. Cara memotong kawat menentukan kualitas tip yang dihasilkan. Biasanya tip dipotong dengan sudut kurang dari 45o dan agak ditarik sehingga menghasilkan tip runcing yang mempunyai satu atom pada bagian ujungnya. 

Apakah arus tunneling itu?

Sebelum membahas lebh jauh tentang STM, alangkah baiknya kita memahami terlebih dahulu apa itu arus tunnel. Berbeda dengan arus listrik biasa dimana elektron mengalir melalui penggantar, pada arus tunnel, elektron mengalir dengan cara menerobos penghalang (barrier). Secara hukum fisika klasik, arus tunnel tidak mungkin terjadi. Dalam pandangan fisika klasik, elektron dianggap sebagai partikel menyerupai bola yang sangat kecil. Bayangkan kalau kita melempar bola ke arah tembok, maka bola tersebut akan memantul kembali ke kita, tanpa bisa melewati tembok dan tembus ke ruangan yanga ada di belakang tembok.

Namun pada pandangan fisika modern, elektron dipandang sebagai gelombang. Karena itu elektron mempunyai peluang untuk menerobos penghalang, seperti bola yang menerobos tembok. Peristiwa penerobosan inilah yang disebut dengan tunneling.

Gambar 3. Dalam mekanika kuantum, elektron dipandang sebagai gelombang yang mampu menerobos penghalang. Energi elektron setelah penerobosan tetap sama namun amplitudonya berkurang. (gambar diambil dari spectrum.ieee.org)

Gerakan elektron menghasilkan arus listrik, sehingga saat elektron menerobos penghalang, kita dapat mendeteksi adanya arus listrik di belakang penghalang. Arus listrik ini disebut sebagai arus tunneling. Arus tunneling sangat tergantung pada ketebalan penghalang. Semakin tebal penghalang maka semakin kecil arus tunneling yang dihasilkan. Gambar 4 menjelaskan bagaimana arus tunneling terjadi pada STM.

Gambar 4. Terjadinya arus tunneling pada STM

(a) Pada logam, elektron mengisi tingkat-tingkat energi. Tingkat energi tertinggi yang ditempati elektron disebut energi Fermi. Untuk terlepas dari permukaan logam, elektron pada tingkat energi fermi membutuhkan tambahan energi yang disebut fungsi kerja.

(b) ketika spesimen dan tip saling mendekat, terdapat celah kecil (vacuum gap) di antaranya. Vacuum gap ini yang berperan sebagai penghalang (barrier). Apabila jarak antara spesimen dan tip sangat dekat (vacuum gap sangat kecil), elektron dapat menerobos (tunnel) melewati penghalang ini.

(c) Apabila potensial bias diberikan antara spesimen dan tip, maka akan terjadi arus tunneling yang mengalir dari spesimen ke tip atau sebaliknya. 

Jadi ada dua faktor yang harus dipenuhi agar arus tunneling terjadi. Pertama jarak antara spesimen dan tip sangat dekat, dalam hitungan nanometer. Dalam pandangan mekanika kuantum, jarak yang saling berdekatan membuat fungsi gelombang elektron spesimen dan tip saling overlap. Faktor kedua adalah adanya potensial bias agar terjadi aliran arus yang bisa diamati. Tanpa adanya potensial bias, terjadi arus tunneling dari spesimen ke tip dan juga dari tip ke spesimen. Kedua arus tunneling tersebut sama besar sehingga arus tunneling total sama dengan nol. Apabila potensial bias positif diberikan pada spesimen maka terjadi aliran elektron dari tip ke spesimen (Gambar 5a). Sebaliknya apabila potensial bias negatif diberikan pada spesimen, maka aliran elektron terjadi dari spesimen ke tip (Gambar 5b).

Gambar 5. Arus tunneling terjadi apabila jarak antara tip dan spesimen sangat dekat dan juga apabila potensial bias diberikan terhadap tip dan spesimen.

Bagaimana prinsip kerja STM?
STM dapat bekerja dengan dua mode, yaitu arus tetap dan tinggi tetap. Selama proses pemindai (scanning) apabila tip menjumpai bagian yang lebih tinggi pada permukaan sampel maka terjadi peningkatan arus tunneling. Pada mode arus tetap, feedback control akan memberi perintah kepada material piezoelectric untuk menggerakkan tip menjauh dari permukaan sampel hingga arus kembali konstan. Pergerakan tip kemudian direkam dan digunakan untuk mengetahui topografi permukaan sampel. Pada mode tetap, tinggi tip selalu konstan, perubahan arus tunneling yang direkam sebagai informasi topografi permukaan sampel.

Gambar 6. Prinsip kerja pada STM. (a) mode tinggi konstan, (b) mode arus konstan (gambar diambil dari www.parkafm.co.jp)

Satu hal yang perlu diperhatikan adalah besarnya arus tergantung juga pada local density of state dari sampel. Sebagai contoh bisa dilihat pada Gambar 7. Pada Gambar 7 terlihat bahwa adsorbat warna hijau dan biru mempunyai tinggi yang sama namun arus tunneling yang dihasilkan berbeda. Arus tunneling ketika tip berada di atas adsorbat warna biru lebih tinggi daripada arus tunneling pada adsorbat warna hijau. Hal ini menunjukkan bahwa density of state adsorbat biru lebih tinggi daripada adsorbat hijau. Jadi, STM sebenarnya TIDAK dapat menentukan posisi atom atau molekul secara langsung, namun STM hanya mampu menentukan posisi DENSITAS ELEKTRON di sekitar atom atau molekul.

Gambar 7. Proses pemindai pada STM. Apabila tip STM mendekati permukaan yang lebih tinggi, maka jarak antara tip dan sampel berkurang. Akibatnya terjadi peningkatan arus tunneling.

Mengapa STM sangat sensitif?
Seperti dibahas sebelumnya bahwa besarnya arus tunneling tergantung dengan jarak antara tip dengan spesimen. Untuk logam dengan fungsi kerja 4 eV, arus tunneling bertambah sebanyak 10 kali untuk tiap penurunan jarak tip-spesimen sebesar 0,1 nm. Ini berarti apabila terdapat perbedaan jarak satu atom (sekitar 0,3 nm), terjadi perbedaan arus tunneling sebesar 1000 kalinya. Sensor elektronik di dalam STM tentu dengan mudah membedakan arus tunneling dengan perbedaan hingga 1000 kali. Inilah yang membuat STM sangat sensitif, lebih baik daripada AFM untuk melihat hingga skala atomik.

Begitulah sekilas penjelasan mengenai STM dari saya. Semoga memberi manfaat.

Read More

Mengenal Mikroskop Gaya Atom (Atomic Force microscope)

Apakah anda pernah menggunakan aplikasi google map untuk melihat peta suatu daerah? Apabila kita menggunakan mode terrain pada google map, kita dapat melihat bentuk muka bumi secara tiga dimensi. Artinya kita bisa membedakan mana dataran tinggi dan mana dataran rendah. Contoh mode terrain pada google map ditunjukkan pada Gambar 1. 

Gambar 1. Bentuk permukaan bumi daerah Wonosobo (Jawa Tengah) dan sekitarnya.

Pada Gambar 1 kita bisa mengetahui bahwa daerah Wonosobo dan Banjarnegara lebih tinggi daripada daerah Pekalongan dan Semarang. Hal ini ditunjukkan dengan warna hijau yang lebih gelap. 

Untuk melihat bentuk permukaan bumi tersebut, manusia menggunakan satelit yang mengorbit di atas permukaan bumi. Namun bagaimana caranya melihat bentuk permukaan suatu material yang sangat kecil? Misalnya melihat carbon nanotubes, gold nanoparticle, ataupun nanomaterial lainnya? Salah satunya adalah dengan menggunakan alat yang bernama Atomic Force Microscope.

Atomic force microscope (AFM) atau dikenal sebagai scanning force microscope merupakan suatu jenis mikroskop yang mampu memberikan informasi topografi tiga dimensi suatu permukaan pada skala hingga nanometer. Resolusi lateralnya mencapai 1,5 nm sedangkan resolusi vertikalnya mencapai 0,05 nm. Artinya ketelitian AFM dalam mengukur ketinggian suatu pemukaan lebih besar daripada ketelitiannya dalam mengukur panjang atau lebar. 

AFM merupakan pengembangan dari scanning tunneling microscope (STM) yang ditemukan sebelumnya. Berbeda dengan STM yang hanya bisa digunakan untuk sampel yang bersifat konduktor, AFM dapat digunakan untuk sampel yang bersifat konduktor maupun isolator seperti klaster atom dan molekul, makromolekul, dan spesies biologi seperti sel, DNA, dan protein. Namun dibandingkan dengan STM, resolusi AFM lebih rendah. 

Gambar 2. Nanowire MoO3 yang diamati dengan AFM (diambil dari www2.potsdam.edu)

Di Indonesia mungkin belum banyak yang mengenal AFM karena jenis mikroskop ini kalah populer dengan SEM dan TEM. Berbeda dengan SEM dan TEM yang menggunakan berkas elektron, AFM menggunakan jarum (tip) berukuran sangat kecil sebagi alat deteksinya. Panjang tip AFM kurang dari 5 mikrometer dan diameter ujung tip biasanya kurang dari 10 nm. Tip ini diletakkan di ujung cantilever yang panjangnya sekitar 100-500 mikrometer. 

Dalam penggunaannya, AFM tidak membutuhkan kondisi hampa udara (vakum). Karena itu AFM sangat baik digunakan untuk deteksi sel dan sampel biologi lainnya tanpa membuat sel biologi tersebut menjadi kering. Kelebihan AFM lainnya adalah mampu menampilkan gambaran permukaan sampel secara tiga dimensi sehingga kita bisa mengetahui ukuran nanopartikel secara lebih mendetail. Sedangkan SEM hanya mampu menampilkan gambaran permukaan secara dua dimensi.

AFM ditemukan pada tahun 1986 oleh Binnig, Quante dan Gerber. Walaupun pengembangan AFM sudah dilakukan pada tahun-tahun sebelumnya, pada tahun 1986 inilah implementasi eksperimental AFM dilakukan pertama kalinya. Tiga tahun kemudian, AFM komersil untuk pertama kalinya dibuat.

Komponen utama pada AFM ada tiga, yaitu cantilever, scanner dan feedback control. Cantilever merupakan bagian AFM yang berinteraksi langsung dengan permukaan sampel. Seperti dijelaskan sebelumnya, pada ujung cantilevel terdapat tip yang sangat kecil menyerupai jarum berukuran nanometer. Tip ini yang akan melakukan scanning sepanjang permukaan sampel. 

Komponen yang kedua adalah scanner. Scanner ini berfungsi untuk mengontrol pergerakan tip atau sampel pada arah x, y dan z. Pada scanner terdapat piezo-electric material yang mampu memberikan pergerakan dalam skala nanometer. 

Komponen ketiga adalah feedback control. Komponen ini berfungsi untuk menterjemahkan signal yang diberikan oleh tip pada photodiode detector. Signal yang diterima akan diterjemahkan untuk menggerakkan piezo-electric material.

Secara umum cara kerja AFM seperti tangan kita. Bayangkan kondisi dimana kita berada di sebuah kamar yang sangat gelap sehingga mustahil bagi kita untuk melihat. Kemudian kita diberikan sebuah benda. Untuk mengetahui benda itu tentunya kita akan meraba dan merasakan halus kasarnya permukaannya dengan tangan kita. Sebagai pengganti tangan, ujung jarum (tip) digunakan sebagai alat peraba pada AFM. Karena ukuran jarum yang sangat kecil, maka permukaan benda yang dapat diraba juga sangat kecil. 

Secara teknis prinsip kerja AFM ditunjukkan pada Gambar 3. Pada posisi normal, sinar laser diarahkan pada ujung cantilever. Oleh cantilever, laser ini dipantulkan menuju bagian tengah detektor photodiode. Ketika tip mendekati permukaan sampel, terjadi gaya tarik atau gaya tolak antara tip dan permukaan sampel. Gaya ini akan menyebabkan cantilever bengkok. Bengkoknya cantilever ini akan terdeteksi dengan adanya pergeseran posisi laser yang ditangkap oleh photodioda. Semakin besar gaya tarik/tolak antara tip dan permukaan sampel, pergeseran laser akan semakin besar. Karena besarnya gaya tarik/tolak tergantung pada jarak antara tip dan permukaan sampel, maka topografi permukaan sampel dapat diketahui dengan melakukan scanning tip sepanjang permukaan sampel. 

Gambar 3. Prinsip kerja AFM (gambar diambil dari wikipedia.org)

Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat video berikut:

Ada tiga mode dalam pengoperasikan AFM, yaitu mode sentuh (contact mode), mode tapping, dan mode tak sentuh (noncontact mode). 

Pada mode sentuh, tip cantilever berada sangat dekat dengan permukaan sampel sehingga terjadi gaya tolakan. Gaya tolakan ini menyebabkan cantilever menekuk. Konstanta pegas dari cantilever ini lebih kecil daripada konstanta pegas antar atom sehingga saat terjadi gaya tolak, cantilever inilah yang akan menekuk tanpa menyebabkan kerusakan pada sampel. Saat tip menelusuri permukaan sampel, perbedaan tinggi rendahnya sampel menyebabkan perbedaan gaya tolakan. Agar gaya tolakan selalu konstan, feedback control mengirim signal ke piezo-electric material untuk bergerak ke atas atau ke bawah. Pergerakan ini direkam dan diterjemahkan sebagai topografi 3D permukaan sampel. Jenis tip yang digunakan pada AFM mode sentuh biasanya terbuat dari silikon nitrida karena mempunyai fleksibilitas yang baik. Biasanya pihak perusahan menjual tip dengan berbagai ukuran dan tipe coatingnya sehingga pengguna dapat menyesuaikannya dengan sampel yang akan dianalisa.

Pada mode tak sentuh, jarak antara tip dengan sampel lebih besar sehingga gaya yang dirasakan adalah gaya tarikan. Mode ini relatif sulit dilakukan pada kondisi ambien karena adanya lapisan air yang teradsorpsi pada permukaan tip ataupun permukaan sampel. Saat tip mendekati permukaan sampel, lapisan air menyebabkan gaya kapiler terjadi secara tiba-tiba sehingga tip langsung kontak dengan permukaan sampel.

Pada mode tapping, cantilever digetarkan pada frekuensi resonansinya. Saat scanning dilakukan, perbedaan topografi sampel menyebabkan pergeseran frekuensi resonansinya. Pergeseran frekuensi ini yang kemudian diterjemahkan menjadi topografi permukaan melalui serangkaian proses yang dilakukan oleh feedback control. Sama seperti mode sentuh, mode tapping berada pada daerah gaya tolakan antara sampel dan tip. Jenis tip yang digunakan biasanya terbuat dari kristal silikon. Jenis tip ini dapat bergetar pada frekuensi tinggi namun lebih rapuh daripada tip dari silikon nitrida.

Pilihan mode yang mana yang digunakan tergantung pada karakteristik permukaan sampel dan juga kekerasan sample. Mode sentuh baik digunakan untuk sampel yang permukaannya keras. Kelemahan dari metode sentuh adanya mudah terjadi kontaminasi pada tip akibat kontak dengan material yang mudah lepas di permukaan sampel. Selain itu gaya yang berlebihan pada mode sentuh dapat menggores sampel dan merusak tip. Mode tapping sangat baik untuk sampel yang lunak seperti spesimen biologi, dan juga untuk sampel yang mempunyai adhesi permukaan rendah seperti DNA dan karbon nanotubes. Mode tak sentuh juga baik untuk sampel lunak namun mode ini sangat sensitif terhadap vibrasi eksternal.

Read More