Peranan Mikroskop Elektron Dalam Teknologi Nano

Hello to all my fellow reader.

Peranan Mikroskop Elektron Dalam Teknologi Nano

 

Oleh Mohd Faizal Aziz

 

Dunia sains teknologi dan penyelidikan kini tidak terlepas dari membicarakan tentang teknologi nano. Teknologi nano merujuk kepada struktur bahan atau sistem berskala sekecil satu nanometer. ( satu nanometer bersamaan satu per bilion meter). Berbicara tentang teknologi nano, kita juga tidak dapat mengelak dari membincangkan suatu peralatan yang penting untuk melihat struktur atau bahan sekecil itu iaitu mikroskop. Mikroskop yang dimaksudkan bukanlah mikroskop yang sama seperti yang digunakan semasa waktu pembelajaran sains di alam persekolahan untuk melihat sampel-sampel biologi dan sebagainya. Artikel ini akan meninjau perkembangan mikroskop berkuasa tinggi yang mampu melihat bahan atau struktur  bersaiz sehingga skala nanometer.

           

Mikroskop (microscope) berasal dari dua perkataan Yunani iaitu ’micron’ yang bermaksud kecil dan ’scopos’ bermakna tujuan. Gabungan kedua-dua perkataan tadi di kenali sebagai mikroskop,  iaitu suatu alat yang digunakan untuk melihat objek-objek kecil yang tidak dapat dilihat oleh mata kasar. Menurut sejarah, mikroskop pertama di dunia dicipta oleh keluarga Janssen dari Jerman iaitu Hans Janssen dan anaknya Zacharias Janssen pada tahun 1590. Penemuan itu mendorong saintis terkenal Galileo Galilei dari Itali membangunkan alat yang sama. Galileo Galilei menyiapkan ciptaan mikroskop beliau pada tahun 1609 yang dikenali dengan nama ’Mikroskop Galileo’. Mikroskop ini menggunakan kanta optik dan lebih dikenali dengan nama mikroskop optik yang memiliki kemampuan terbatas dalam membesarkan imej-imej objek yang dilihat. Hal ini disebabkan oleh kemampuan pembelauan cahaya yang digunakan untuk mengamati objek yang  ditentukan oleh panjang gelombang cahaya masuk. Secara teori, panjang gelombang ini hanya terbatas sekitar 200 nanometer. Oleh itu, mikroskop yang berasaskan optik tidak dapat membesarkan imej yang berada di bawah julat saiz 200 nanometer.

           

Untuk melihat objek bersaiz lebih kecil dari 200 nanometer, mikroskop dengan panjang gelombang cahaya yang lebih pendek diperlukan. Dari idea inilah, pada tahun 1932 mikroskop elektron dicipta. Mikroskop elektron menggunakan sinar elektron dengan panjang gelombangnya yang lebih pendek dari panjang gelombang cahaya. Oleh itu, mikroskop elektron mempunyai keupayaan pembesaran objek yang dikenali sebagai resolusi imej yang lebih tinggi berbanding mikroskop optik.

           

Secara asas, mikroskop elektron juga menggunakan kanta, namun kanta yang digunakan bukanlah jenis kaca seperti yang digunakan dalam mikroskop optik. Kanta yang digunakan dalam mikroskop elektron adalah bersifat magnet. Sifat medan magnet pada kanta ini dapat mengawal dan mempengaruhi elektron yang melaluinya sehingga ia dapat berfungsi menggantikan sifat kanta pada mikroskop optik itu tadi. Salah satu keadaan yang diperlukan dalam mikroskop elektron ialah ruang vakum. Keadaan vakum diperlukan untuk menghalang pecutan elektron berlanggar dengan molekul-molekul lain yang berada dalam ruang bebas udara yang mengganggu fungsi utama mikroskop elektron itu tadi.

 

Imej seekor semut membawa mikrocip di bawah Mikroskop Imbasan Elektron           

 

Terdapat dua jenis mikroskop elektron yang utama iaitu Mikroskop Transmisi Elektron (TEM)dan Mikroskop Imbasan Elektron ( SEM). TEM di perkenalkan pertama kali oleh dua saintis Jerman iaitu Ernst Ruska dan Max Knoll pada tahun 1932. Pada waktu itu, Ernst Ruska merupakan penuntut PhD dibawah bimbingan Max Knoll. Penemuan TEM melayakkan Ernst Ruska menerima Hadiah Nobel bidang fizik pada tahun 1986.

           

Prinsip operasi TEM melibatkan tembakan elektron ke lapisan nipis sampel dari senapang elekron seterusnya maklumat mengenai komposisi sampel terbabit akan dapat di kesan dari analisis sifat hentaman, pantulan dan fasa sinar elektron yang menembusi sampel tersebut. Dari sifat pantulan sinar elektron itu juga dapat dikenalpasti struktur dan orientasi hablur sampel tersebut. Seterusnya untuk analisis yang lebih mendalam, susunan struktur atom dan kesan kecacatan ( defect ) pada hablur sampel juga akan dapat dikesan. Dalam pengamatan objek menggunakan TEM ini, sampel yang hendak dianalisis perlu dinipiskan terlebih dahulu sehingga mencapai saiz kurang dari 100 nanometer ketebalannya. Proses penyediaan sampel TEM memerlukan pemerhatian yang khusus dan hanya peralatan tertentu sahaja yang boleh digunakan untuk menyediakannya. Dalam penghasilan peranti mikroelektronik, TEM sering digunakan untuk melihat keratan rentas peranti berikutan sifat kristal yang ada pada peranti mikroelektronik itu tadi. Dalam suatu keadaan lain, TEM juga digunakan untuk melihat permukaan dari sesebuah peranti.

 

            Sedikit berbeza dengan TEM, SEM juga dibangunkan oleh saintis Jerman pada tahun 1938 iaitu Manfred Von Ardenne. Konsep asas SEM ini juga sebenarnya disampaikan oleh Max Knoll pada tahun 1935. Prinsip operasi SEM berbeza dengan TEM kerana elektron hanya akan mengimbas permukaan sampel seterusnya maklumat yang diperolehi hasil dari imbasan tersebut akan dipancarkan dalam bentuk imej. Secara ringkas, imej yang terhasil adalah seperti imej skrin televisyen yang kita tonton.

           

Cara imej terbentuk pada SEM berbeza dengan imej yang terhasil dalam TEM. Dalam SEM, imej terhasil berdasarkan elektron sekunder atau pantulan elektron yang muncul pada permukaan sampel ketika sampel tersebut diimbas dengan sinaran elektron. Isyarat dan amplitud dari elektron sekunder dan elektron pantulan yang terhasil seterusnya akan diperbesarkan dan ditampilkan dengan imej cerah-gelap pada layar tiub sinar katod (CRT). Pada monitor CRT inilah imej objek yang telah dibesarkan beberapa ratus sehingga ribu kali ganda akan ditampilkan. Dalam SEM, penyediaan sampel tidak serumit TEM yang perlu dinipiskan sehingga kurang dari 100 nanometer. Oleh yang demikian, SEM mempunyai resolusi tinggi yang dapat mengamati objek berukuran nanometer.

 

Namun begitu, masih terdapat kelemahan pada SEM ini iaitu, tahap resolusi tinggi hanya berkesan sekiranya imbasan dilakukan secara horizontal berbanding vertikal. Kelemahan ini telah mendorong penciptaan mikroskop beresolusi tinggi yang baru sejak tahun 1970-an lagi. Mikroskop yang dikenali dengan Mikroskop Prob Imbasan  ( SPM) mempunyai resolusi tinggi baik secara horizontal mahupun vertikal. Mikroskop ini mempunyai prinsip kerja yang berbeza dari TEM dan SEM. Mikroskop-mikroskop lain yang tergolong dalam kumpulan SPM ini terdiri dari Mikroskop Penerowongan Imbasan (Scanning Tunneling Microscope,  STM), Mikroskop Daya Atom (Atomic Force Microscope, AFM) dan jugaMikroskop Optik Imbasan Medan-Dekat, (Scanning Near-Field Optical Microscope, SNOM). Mikroskop dalam kategori ini banyak digunakan dalam penyelidikan teknologi nano yang begitu pesat dibangunkan pada masa kini.