Makalah Sem.docx

DIVAIS MIKROELEKTRONIKA KARAKTERISTIK MATERIAL

Disusun oleh :

Nama :

1. Dwi Budi Susilo

(5301412043)

2. Karyadi

(5301412044)

3. Hermawan

(5301412075)

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2014

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Mikroskop elektron adalah sebuah mikroskop yang mampu untuk melakukan pembesaran objek sampai 2 juta kali, yang menggunakan elektro statik dan elektro magnetik untuk mengontrol pencahayaan dan tampilan gambar serta memiliki kemampuan pembesaran objek serta resolusi yang jauh lebih bagus daripada mikroskop cahaya. Mikroskop elektron ini menggunakan jauh lebih banyak energi dan radiasi elektromagnetik yang lebih pendek dibandingkan mikroskop cahaya. Mikroskop transmisi elektron (TEM=Transmission Electron Microscope)adalah sebuah mikroskop elektron yang cara kerjanya mirip dengan cara kerja proyektor slide, di mana elektron ditembuskan ke dalam obyek pengamatan dan pengamat mengamati hasil tembusannya pada layar. Mikroskop pemindai elektron (SEM=Scanning Electron Microscope) yang digunakan untuk studi detil arsitektur permukaan sel (atau struktur jasad renik lainnya), dan obyek diamati secara tiga dimensi. Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energy tinggi. Permukaan material yang disinari atau terkena berkar electron akan memantulkan kembali berkas electron atau dinamakan berkas electron sekunder ke segala arah. Tetapi dari semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Detector yang terdapat di dalam SEM akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh benda atau material yang dianalisis. Selain itu juga dapat menentukan lokasi berkas electron yang berintensitas tertinggi itu. Ketika dilakukan pengamatan terhadap material, lokasi permukaan benda yang ditembak dengan berkas elektron yang ber intensitas tertinggi di – scan keseluruh permukaan material pengamatan. Karena luasnya daerah pengamatan kita dapat membatasi lokasi pengamatan yang kita lakukan dengan melakukan zoon – in atau zoon – out. Dengan memanfaatkan berkas pantulan dari benda tersebut maka informasi dapat di ketahui dengan menggunakan program pengolahan citra yang terdapat dalam computer. 1.2 Tujuan 1. Menjelaskan pada mahasiswa pengertian SEM. 2. Memaparkan prinsip kerja SEM 3. Menjelaskan kelebihan dan kekurangan SEM

BAB II PEMBAHASAN 2.1 SEM SEM (Scanning Electron Microscope) adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis. Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energy tinggi. Permukaan material yang disinari atau terkena berkar electron akan memantulkan kembali berkas electron atau dinamakan berkas electron sekunder ke segala arah. Tetapi dari semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Detector yang terdapat di dalam SEM akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh benda atau material yang dianalisis. Selain itu juga dapat menentukan lokasi berkas electron yang berintensitas tertinggi itu. Ketika dilakukan pengamatan terhadap material, lokasi permukaan benda yang ditembak dengan berkas elektron yang ber intensitas tertinggi di – scan keseluruh permukaan material pengamatan. Karena luasnya daerah pengamatan kita dapat membatasi lokasi pengamatan yang kita lakukan dengan melakukan zoon – in atau zoon – out. Dengan memanfaatkan berkas pantulan dari benda tersebut maka informasi dapat di ketahui dengan menggunakan program pengolahan citra yang terdapat dalam computer. SEM (Scanning Electron Microscope) memiliki resolusi yang lebih tinggi dari pada mikroskop optic. Hal ini di sebabkan oleh panjang gelombang de Broglie yang memiliki electron lebih pendekdek daripada gelombang optic. Karena makin kecil panjang gelombang yang digunakan maka makin tinggi resolusi mikroskop. SEM mempunyai depthoffield yang besar, yang dapat memfokuskan jumlah sampel yang lebih banyak pada satu waktu dan menghasilkan bayangan yang baik dari sampel tiga dimensi. SEM juga menghasilkan bayangan dengan resolusi tinggi, yang berarti mendekati bayangan yang dapat diuji dengan perbesaran tinggi. Kombinasi perbesaran yang lebih tinggi,darkfield,resolusi yang lebih besar,dan komposisi serta informasi kristallografi membuat SEM merupakan satu dari peralatan yang paling banyak digunakan dalam penelitian, R& D industri khususnya industri semikonduktor Elektron memiliki resolusi yang lebih tinggi daripada cahaya. Cahaya hanya mampu mencapai 200nm sedangkan elektron bisa mencapai resolusi sampai 0,1 – 0,2 nm. Dibawah ini diberikan perbandingan hasil gambar mikroskop cahaya dengan elektron.

Jika elektron mengenai suatu benda maka akan timbul dua jenis pantulan yaitu pantulan elastis dan pantulan non elastis seperti pada gambar dibawah ini.

Pada sebuah mikroskop elektron (SEM) terdapat beberapa peralatan utama antara lain: 1. Pistol elektron, biasanya berupa filamen yang terbuat dari unsur yang mudah melepas elektron misal tungsten. 2. Lensa untuk elektron, berupa lensa magnetis karena elektron yang bermuatan negatif dapat dibelokkan oleh medan magnet. 3. Sistem vakum, karena elektron sangat kecil dan ringan maka jika ada molekul udara yang lain elektron yang berjalan menuju sasaran akan terpencar oleh tumbukan sebelum mengenai sasaran sehingga menghilangkan molekul udara menjadi sangat penting.

Secara lengkap skema SEM dijelaskan oleh gambar dibawah ini:

(sumber:iastate.edu)

Prinsip kerja dari SEM adalah sebagai berikut: 1. Sebuah pistol elektron memproduksi sinar elektron dan dipercepat dengan anoda. 2. Lensa magnetik memfokuskan elektron menuju ke sampel. 3. Sinar elektron yang terfokus memindai (scan) keseluruhan sampel dengan diarahkan oleh koil pemindai. 4. Ketika elektron mengenai sampel maka sampel akan mengeluarkan elektron baru yang akan diterima oleh detektor dan dikirim ke monitor(CRT).

(Gambar Seperangkat SEM)

Ada beberapa sinyal yang penting yang dihasilkan oleh SEM. Dari pantulan inelastis didapatkan sinyal elektron sekunder dan karakteristik sinar X sedangkan dari

pantulan elastis didapatkan sinyal backscattered electron. Sinyal -sinyal tersebut dijelaskan pada gambar dibawah ini.

Perbedaan gambar dari sinyal elektron sekunder dengan backscattered adalah sebagai berikut: elektron sekunder menghasilkan topografi dari benda yang dianalisa, permukaan yang tinggi berwarna lebih cerah dari permukaan rendah. Sedangkan backscattered elektron memberikan perbedaan berat molekul dari atom – atom yang menyusun permukaan, atom dengan berat molekul tinggi akan berwarna lebih cerah daripada atom dengan berat molekul rendah. Contoh perbandingan gambar dari kedua sinyal ini disajikan pada gambar dibawah ini.

Mekanisme kontras dari elektron sekunder dijelaskan dengan gambar dibawah ini. Permukaan yang tinggi akan lebih banyak melepaskan elektron dan menghasilkan gambar yang lebih cerah dibandingkan permukaan yang rendah atau datar.

Sedangkan mekasime kontras dari backscattered elektron dijelaskan dengan gambar dibawah ini yang secara prinsip atom – atom dengan densitas atau berat molekul lebih besar akan memantulkan lebih banyak elektron sehingga tampak lebih cerah dari atom berdensitas rendah. Maka teknik ini sangat berguna untuk membedakan jenis atom.

Namun untuk mengenali jenis atom dipermukaan yang mengandung multi atom para peneliti lebih banyak mengunakan teknik EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). Sebagian besar alat SEM dilengkapi dengan kemampuan ini, namun tidak semua SEM punya fitur ini. EDS dihasilkan dari Sinar X karakteristik, yaitu dengan menembakkan sinar X pada posisi yang ingin kita ketahui komposisinya. Maka setelah ditembakkan pada posisi yang diinginkan maka akan muncul puncak – puncak tertentu yang mewakili suatu unsur yang terkandung. Dengan EDS kita juga bisa membuat elemental mapping (pemetaan elemen) dengan memberikan warna berbeda – beda dari masing – masing elemen di permukaan bahan. EDS bisa digunakan untuk menganalisa secara kunatitatif dari persentase masing – masing elemen. Contoh dari aplikasi EDS digambarkan pada diagram dibawah ini.

(sumber: umich.edu)

Aplikasi dari teknik SEM – EDS dirangkum sebagai berikut: 1. Topografi: Menganalisa permukaan dan teksture (kekerasan, reflektivitas dsb) 2. Morfologi: Menganalisa bentuk dan ukuran dari benda sampel 3. Komposisi: Menganalisa komposisi dari permukaan benda secara kuantitatif dan kualitatif. Sedangkan kelemahan dari teknik SEM antara lain: 1. Memerlukan kondisi vakum 2. Hanya menganalisa permukaan 3. Resolusi lebih rendah dari TEM 4. Sampel harus bahan yang konduktif, jika tidak konduktor maka perlu dilapis logam seperti emas.

2.2 TEM Perbedaan mendasar dari TEM dan SEM adalah pada cara bagaimana elektron yang ditembakkan oleh pistol elektron mengenai sampel. Pada TEM, sampel yang disiapkan sangat tipis sehingga elektron dapat menembusnya kemudian hasil dari tembusan elektron tersebut yang diolah menjadi gambar. Sedangkan pada SEM sampel tidak ditembus oleh elektron sehingga hanya pendaran hasil dari tumbukan elektron dengan sampel yang ditangkap oleh detektor dan diolah. Skema perbandingan kedua alat ini disajikan oleh gambar dibawah ini.

Prinsip kerja dari TEM secara singkat adalah sinar elektron mengiluminasi spesimen dan menghasilkan sebuah gambar diatas layar pospor. Gambar dilihat sebagai sebuah proyeksi dari spesimen. Skema dari TEM lebih detil dapat dilihat pada gambar berikut ini.

(sumber: hk-phy.org)

Sedangkan sinyal utama yang dapat dihasilkan oleh TEM dideskripsikan pada gambar berikut.

Sinyal utama yang dapat ditangkap atau dihasilkan dari TEM cukup banyak antara lain: 1. Diffraction Contrast Dipakai untuk mengkarakterisasi kristal biasa digunakan untuk menganalisa defek, endapan, ukuran butiran dan distribusinya. 2. Phase Contrast Dipakai untuk menganalisa kristalin material (defek, endapan, struktur interfasa, pertumbuhan kristal) 3. Mass/Thickness Contrast Dipakai untuk karakterisasi bahan amorf berpori, polimer, material lunak (biologis) 4. Electron Diffraction 5. Characteristic X-ray (EDS) 6. Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS + EFTEM) 7. Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) Sehingga aplikasi utama TEM adalah sebagai berikut: analisis mikrostruktur, identifikasi defek, analisis interfasa, struktur kristal, tatanan atom pada kristal, serta analisa elemental skala nanometer. Sementara itu kelebihan dari analisa menggunakan TEM adalah: 1. Resolusi Superior 0.1~0.2 nm, lebih besar dari SEM (1~3 nm) 2. Mampu mendapatkan informasi komposisi dan kristalografi dari bahan uji dengan resolusi tinggi 3. Memungkinkan untuk mendapatkan berbagai signal dari satu lokasi yang sama. Sedangkan kelemahannya adalah: 1. Hanya meneliti area yang sangat kecil dari sampel (apakah ini representatif?) 2. Perlakuan awal dari sampel cukup rumit sampai bisa mendapatkan gambar yang baik.

3. Elektron dapat merusak atau meninggalkan jejak pada sampel yang diuji.

2.3 Thermo Gravimetric Analyzer (TGA) Metode TGA merupakan prosedur yang cukup banyak dilakukan dalam karakterisasi bahan. Pada prinsipnya metode ini mengukur berkurangnya massa material ketika dipanaskan dari suhu kamar sampai suhu tinggi yang biasanya sekitar 900C. Alat TGA dilengkapi dengan timbangan mikro didalamnya sehingga secara otomatis berat sampel setiap saat bisa terekam dan disajikan dalam tampilan grafik. Pada pemanasan yang kontinyu dari suhu kamar, maka pada suhu – suhu tertentu material akan kehilangan cukup signifikan dari massanya. Kehilangan massa pada suhu tertentu dapat mengindikasikan kandungan dari bahan uji, meski tidak bisa secara spesifik merujuk pada suatu senyawa tertentu seperti yang misalnya ditunjukkan oleh puncak – puncak dari histogram FTIR ataupun XRD. Sehingga biasanya TGA digunakan untuk melakukan analisa proximate seperti kadar air, kadar senyawa volatil dan kadar abu dalam bahan. Sebenarnya TGA bisa beroperasi dalam kondisi inert dengan mengalirkan gas tertentu seperti nitroen ataupun helium. Tapi TGA juga bisa beroperasi dalam atmosfer gas non-inert seperti udara dan oksigen yang memungkinkan terjadinya reaksi dengan sampel dengan adanya kenaikan suhu. Sehingga disini TGA juga bisa berfungsi sebagai reaktor untuk menganalisa massa bahan yang bereaksi dalam kondisi operasi tertentu. Salah satu contohnya pada penelitian mencari katalis yang tepat untuk membakar soot (partikel karbon yang terkandung dalam asap knalpot mesin disel), yang dilakukan dengan cara soot dicampur katalis dimasukkan dalam TGA jika dinaikkan suhunya dan dialirkan udara maka akan terjadi reaksi pembakaran yang akan menurunkan massa yang terdeteksi oleh TGA. Katalis yang baik tentunya bisa menurunkan suhu reaksi yang signifikan dibandingkan tidak memakai katalis. Cara pemakaian alat ini sangatlah mudah. Material yang berupa serbuk cukup dimasukkan kedalam cawan kecil dari bahan platina, atau alumina ataupun teflon seperti pada gambar dibawah ini. Pemilihan bahan dari cawan ini perlu disesuaikan dengan bahan uji. Pastikanbahan uji tidak bereaksi dengan bahan cawan serta tidak lengket ketika dipanaskan.

Analisa memerlukan juga bahan standar sebagai referensi dan penyeimbang dari timbangan mikro. Biasanya dipakai alumina sebagai standar yang juga perlu dimasukkan dalam cawan. Alumina dan bahan uji kemudian dimasukkan kedalam alat TGA seperti gambar dibawah ini.

Yang perlu dilakukan dengan sangat hati – hati adalah ketika meletakkan cawan – cawan diatas pan timbangan. Karena lengan dari pan timbangan sangat mudah patah sehingga dalam menempatkan dan mengambil kontainer perlu dilakukan dengan hati – hati. Setelah sampel dimasukkan maka kita bisa memprogram urutan pemanasannya. Pemanasan bisa diprogram sesuai dengan kebutuhan misalkan kita bisa mengatur memanaskan sampel sampai 110 C dan ditahan 10 menit kemudian pemanasan dengan cepat dilanjutkan sampai 900 C kemudian suhu diturunkan menjadi 600 C ditahan selama 30 menit. Kita dapat memprogram temperatur dan juga kecepatan pemanasan, alat ini bisa memanaskan sampai sekitar 1000 C dengan kecepatan sampai 100 C/menit atau lebih tergantung tipe alat.

BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN 4.1 Kesimpulan 1. Mikroskop elektron adalah sebuah mikroskop yang mampu untuk melakukan pembesaran objek sampai 2 juta kali, yang menggunakan elektro statik dan elektro magnetik untuk mengontrol pencahayaan dan tampilan gambar serta memiliki kemampuan pembesaran objek serta resolusi yang jauh lebih bagus daripada mikroskop cahaya. Mikroskop elektron ini menggunakan jauh lebih banyak energi dan radiasi elektromagnetik yang lebih pendek dibandingkan mikroskop cahaya. . 2.

Ada banyak mikroskop electron antara lain SEM,TEM,TGA.

4.2 Saran 1. Dengan dibuatnya makalah ini, pemahaman tentang karakteristik material lebih ditingkatkan lagi. 2. Diharapkan kepada penulis agar menjelaskan lebih lengkap lagi istilah-istilah yang kurang jelas.

DAFTAR PUSTAKA http://wwwthepowerofknowledge.blogspot.com/2012/02/transduser.html

diakses

pada

2

september 2014 pukul 17.50 http://id.wikipedia.org/wiki/Transduser diakses pada 2 september 2014 pukul 18.30 http://id.wikipedia.org/wiki/Transduser diakses pada 2 september 2014 pukul 18.35 http://jundullah05.wordpress.com/2008/04/10/sensor-dan-transduser/ diakses pada 2 september 2014 pukul 18.52 http://www.musbikhin.com/pengertian-tranduser diakses pada 2 september 2014 pukul 19.00 http://materialcerdas indonesia diakses pada 2 desember 2014 pukul 19.00