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.