A.
Mikroskop Gaya Atom
Mikroskop gaya atom (Atomic force microscope, AFM) adalah jenis mikroskop dengan resolusi tinggi yang mana
resolusinya mencapai seperbilangan nanometer (1000 kali lebih kuat dari batas
difraksi optik). Nano adalah satuan panjang sebesar
sepertriliun meter (1 nm = 10-9 m). Bahan berstruktur nano merupakan
bahan yang memiliki paling tidak salah satu dimensinya berukuran <100 nm.
Mikroskop gaya atom telah banyak digunakan dalam bidang biologi yaitu untuk
menyelidiki struktur, fungsi dan spesifik sel. Misalnya untuk meyelidiki
struktur dan fungsi hubungan antara bakteri Streptococcus mutans yang merupakan
dasar aetiological pada gigi manusia.
Mikoskop
gaya atom dikembangkan oleh Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer pada awal tahun 1980 di pusat penelitian IBM - Zurich. Binnig, Quate dan Gerber kemudian
menciptakan mikroskop gaya atom pertama di dunia pada tahun 1986.
Mikroskop gaya atom ini merupakan salah satu alat untuk penggambaran, pengukuran, dan
manipulasi materi pada skala nano. Cara untuk mendapatkan informasi pada
Mikroskop gaya atom dengan meraba permukaan dengan menggunakan sebuah alat
pemeriksa mekanik yang disebut dengan piezoelektrik. Elemen piezoelektrik ini
yang memfasilitasi perintah elektronik gerak dengan sangat akurat dan tepat
sehingga membuatnya dapat memindai dengan presisi tinggi.
Mikroskop
gaya atom terdiri dari sebuah penopang (cantilever) dengan ujung yang
tajam sebagai alat pemeriksa (probe) yang digunakan untuk memindai
permukaan sampel. Penopang tersebut biasanya terbuat dari silikon dengan radius kelengkungan ujung
mencapai bilangan nanometer. Ketika ujungnya dibawa mendekati
permukaan sampel, gaya antara ujung tajam pemindai dengan permukaan sampel
menyebabkan pelengkungan penopang sesuai dengan hukum
Hooke.
Tergantung pada situasinya, gaya yang diukur AFM meliputi gaya kontak mekanik, gaya
van der Waals,
gaya
kapiler, ikatan
kimia, gaya elektrostatik, gaya magnet, gaya Casimir, gaya
pelarutan, dll.
Gambar 1. Mikroskop
gaya atom
B.
Komponen-komponen Mikroskop Gaya Atom
Komponen-komponen penting yang ada pada
mikroskop gaya atom diantaranya adalah:
1.
Probe
Merupakan
bagian yang secara langsung berinteraksi dengan permukaan sampel (tip), dan
cantilever dengan panjang 100 – 200 μm dengan lebar 10-40 nm, serta ketebalan
0.3-2 μm.
2.
Ujung jarum atau tip
Tip merupakan ujung dari jarum pada ujung
cantilever, tempat diamana terjadi kontak dengan sampel yang akan dicitrakan. Tip
digunakan untuk memindai permukaan spesimen sehingga
dapat mengkarakterisasi suatu bahan. Ketelitian dari gambar yang
dihasilkan sangat tergantung dari besar atau kecilnya tip ini. Material yang
dipakai pada tip ini biasanya terbuat dari Silikon atau Silikon Nitrida
(Si3N4). Material ini digunakan selain tahan lama juga menjadikan sampel
menjadi anti air. Ujung dari tip ini biasanya sekitar 10nm atau 100 atom.
3.
Cantilever
Merupakan sebuah penopang dan merupakan tempat dimana tip menempel. Berfungsi sebagai tempat mendaratnya sinar laser. Bahan dari Cantilever ini pada
umumnya sama dengan bahan pada pada tip, bentuknya biasanya ”V” pada ujungnya
atau berbentuk datar saja “I”. Ukuran dari suatu cantilever ini berkisar 100
microns/ 0.1mm, dan hanya memiliki beberapa mikron untuk tebalnya. Keadaan ini
menjadikan cantilevr ini fleksibel tetapi masih kuat untuk menahan, tip pada
ujungnya.
Gambar 2. Cantilever
4.
Scaner piezoelectric
Piezoelektrik dapat mengubah tekanan menjadi suatu tegangan
listrik untuk diolah pada komputer atau sebaliknya mengubah
tegangan menjadi suatu tekanan.
5.
Laser
Devais elektronik yang berfungsi untuk menembakkan laser ke
arah cantilever.
6.
Detector
Merupakan
pendeteksi laser pantulan.
7.
Photodiode
8.
Perangkat komputer
Digunakan
sebagai pengolah data.
C.
Sifat Fisis Mikroskop Gaya Atom
Mikroskop
gaya atom memiliki beberapa sifat fisi, diantaranya yaitu:
1.
Perbesaran
Dimensi dan Perbesaran unit umum dari
dimensi yang digunakan untuk membuat pengukuran dalam mikroskop atom adalah nanometer. Pembesaran di mikroskop atom adalah rasio ukuran
sebenarnya fitur untuk ukuran fitur bila
dilihat di layar komputer.
2.
Keramik Piezoelektrik
Transducer
Bahan piezoelektrik mengalami perubahan geometri ketika ditaruh dalam
medan listrik.
3.
Gaya Sensor
Mikroskop gaya atom membutuhkan kekuatan sensor untuk mengukur
kekuatan antara probe kecil dan permukaan yang dicitrakan. Jenis umum dari
sensor gaya menggunakan hubungan antara gerak penopang dan gaya diterapkan.
4.
Kontrol Umpan
Balik
Kontrol umpan balik digunakan umumnya untuk menjaga gerak suatu objek dalam suatu hubungan tetap
ke obyek lain.
5.
Resolusi pada Mikroskop
Gaya Atom
a.
Resolusi Plane
Resolusi plane tergantung pada
geometri probe yang digunakan untuk memindai. Secara umum, semakin tajam probe maka semakin tinggi
resolusi gambar pada mikroskop gaya
atom.
b.
Resolusi
Vertikal
Resolusi vertikal dalam Mikroskop gaya
atom
dibentuk oleh getaran relatif probe di atas permukaan.
6.
Interaksi
Permukaan Probe
Interaksi permukaan probe dan permukaan mekanis, merupakan kekuatan yang
terjadi ketika atom-atom pada probe fisik berinteraksi dengan atom di permukaan.
7.
Kontaminasi
Permukaan
Kontaminasi ini dapat terdiri dari air dan hidrokarbon
dan tergantung pada
lingkungan mikroskop. Ketika probe
Mikroskop gaya atom datang ke dalam kontak dengan kontaminasi permukaan, gaya kapiler dapat
menarik probe ke arah permukaan.
D.
Prinsip Kerja Mikroskop Gaya Atom
Gambar 2.
Prinsip kerja mikroskop gaya atom
Mikroskop gaya atom
memanfaatkan gaya tarik-menarik dan tolak-menolak yang bekerja
antara cantilever dan permukaan sampel
pada jarak beberapa nanometer. Saat jarak Cantilever dan sampel menjauh gaya
tarik-menarik terjadi sedangkan saat jarak Cantilever dan sampel mendekat gaya
tolak –menolak terjadi. Cantilever bekerja meraba-raba
(melakukan scanning) terhadap permukaan sampel dengan jarak antara ujung
cantilever (tip) dengan permukaan sampel sambil menjaga jarak antara cantilever
dengan permukaan sampel tetap sama.
Gaya
tarik-menarik dan tolak-menolak yang terjadi di antaranya menyebabkan perubahan
posisi pada
cantilever.
Perubahan posisi cantilever selama meraba-raba permukaan sampel
ditangkap dengan laser dan menyebabkan perubahan pantulan laser pada photodiode.
Perubahan posisi tangkapan laser pada photodiode ini diolah dengan rangkaian
elektronik dan computer untuk kemudian diwujudkan dalam wujud data gambar 3 dimensi
pada layar monitor. Selama
proses scanning pengaturan jarak antara Cantilever, permukaan sampel dan juga pergerakan sampel diatur secara simultan dan sinergis melalui komunikasi antara rangkaian elektronika dengan komputer dengan cantilever dan piezoelektrik.
Untuk meningkatkan kemampuan mikroskop
gaya atom, diperlukan diameter ujung tip yang sangat kecil dan frekuensi
resonansi cantilever yang tinggi, agar sensitifitas terhadap perubahan posisi
cantilever dapat terlihat jelas dan mikroskop gaya atom bisa bekerja dengan
lebih cepat.
Metode kerja mikroskop gaya atom ada dua
yaitu dengan metode sentuh (statis) dan metode tak sentuh (dinamis).
1.
Metode
Sentuh
Metode sentuh adalah metode yang
paling umum dari operasi mikroskop gaya atom dan berguna untuk memperoleh
informasi topografi 3D pada struktur nano dan permukaan. Metode sentuh dengan cara menyentuhkan cantilever ke
dalam permukaan sampel. Saat proses scanning, perubahan posisi cantilever
akibat gaya tolak menolak antara cantilever dan permukaan sampel diolah dan
diwujudkan dalam data gambar 3 dimensi permukaan sampel.
Kebanyakan cantilever memiliki
konstanta pegas <1Nm. Salah satu kelemahan dari metode sentuh adalah pada
sampel, tip menyeret spesimen. Kekuatan-kekuatan besar dapat mengakibatkan
gambar cacat dan sampel rusak. Gaya lateral kecil, dapat digunakan untuk
memberikan informasi tentang gesekan antara tip dan sampel yang dikenal sebagai
kekuatan mikroskop lateral (LFM). LFM mengukur deformasi torsi dari kantilever
sementara scan ujung atas permukaan. Sementara gambar topografi dicatat oleh
perbedaan antara atas dan kuadran bawah photodiode, gambar gesekan dicatat oleh
perbedaan antara bagian kiri dan kanan dioda. Pengukuran simultan dari gambar topografi
dan gesekan dapat direkam. LFM berguna untuk memperoleh kontras kimia dalam
sampel yang semua fiturnya sama tinggi.
Gambar 3.
Skema dari metode sentuh dan gambar dari oligomer cholera
2.
Metode
Tak sentuh
Pada metode tak sentuh,
dengan mengatur gaya yang bekerja antara cantilever dan permukaan benda agar
tidak berubah. Pada awalnya cantilever digetarkan pada frekuensi resonansinya.
Saat proses scanning, perubahan tekstur atau jarak antara cantilever dan
permukaan benda menyebabkan terjadinya gaya antara keduanya yang merubah
frekuensi resonansinya. Gaya tarik akan menyebabkan frekuensi resonansi turun. Sedangkan
gaya tolak menyebabkan frekuensi resonansi naik. Pada metode tak sentuh ini
juga berlaku hukum Hooke pada cantilever.
Gambar 4. Skema metode
tak sentuh dan gambar polimer raspberry
E.
Proses yang Terjadi pada Saat Pemindaian
Prinsip
kerja AFM yang terbilang sederhana, melibatan interaksi antara tip (yang
terpasang pada cantilever) dengan sampel yang telah dipasang pada bahan piezoelektrik.
Setiap permukaan bahan akan terlihat halus secara kasat mata, namun sacara
mikroskopik susunan partikel tidak selamanya rata pada permukaan alias kasar.
Pola susunan partikel inilah yang akan diamati melalui AFM. Prinsip kerjanya
melibatkan gaya yang terjadi selama interaksi terjadi, secara umum dapat berupa
tarikan atau dorongan. Gaya-gaya yang terjadi akan dideteksi melalui
pergerakan/pembengkokan cantilever yang otomatis akan merubah sudut refleksi
sinar laser kea rah detector yang menangkap semua berkas laser yang
dipantulkan. Selanjutnya sinyal-sinyal laser tadi diolah lebih lanjut oleh
perangkat-perangkat elektonik lainnya yang nantinya akan berakhir pada computer
untuk dijadikan image(citra) 3D permukaan benda secara detail pada skala nano.
Gaya yang terjadi antara probe dan
permukaan sample dapat dijelaskan melalui hukum Hooke yaitu :
F = k.d
dimana: F = gaya
k = konstanta
pegas
d = pelengkungan
cantilever.
Jika konstanta pegas
dari kantilever (biasanya ~ 0,1-1 N / m) lebih kecil dari permukaan, maka
kantilever membungkuk.
Setelah diketahui nilai
tegangan pada cantilever, maka dapat diketahui berapa tekanan di atas permukaan
sampel. Nilai tekanan dapat dijelaskan melalui:
P = F/A = k.d/A
dimana: P = tekanan
A = luas
permukaan sampel
Proses perubahan
tekanan menjadi tegangan atau tegangan menjadi tekanan ini diatur oleh
piezoelektrik. Untuk menampilkannya dalam komputer sinyal tegangan ini diubah ke sinyal analog. Karena sangat kecil
maka diperkuat dengan amplifier. Kemudian sinyal dikonversi ke digital sehingga
data dapat diolah oleh komputer.
F.
Cara Kerja Mikroskop Gaya Atom
Cara kerja dari
Mikroskop gaya atom ini sangat mudah, sampel yang digunakan syaratnya yaitu
hanya memiliki paling tidak salah satu dimensinya berukuran < 100 nm. Sample
ini tidak perlu dilapisi dengan karbon atau lapisan apapun yang dapat merusak
sampel.
Untuk persiapan awal
terhadap sampel adalah sebagai berikut:
1.
Meletakkan sample
pada tempat sample yang ada pada alat.
2.
Memastikan ujung tip
berada tepat di permukaan sample.
3.
Menghidupkan alat dan
layar komputer.
Untuk cara kerja alat
AFM ini adalah:
1.
Selama scan, tip
'jarum' dari cantilever (sensor) bergerak maju mundur sepanjang permukaan
sample.
2.
Gerak scan arah x,y,
dan z akan dikontrol oleh tube scanner piezoelektrik.
3.
Untuk mendeteksi
setiap defleksi dari jarum, digunakan laser yang dipantulkan ke ujung tip,
selanjutnya malalui cermin laser menuju fotodiode.
4.
Piezoscanner dan
photodiode terhubung melalui loop feedback, kemudian hasil nya di tampilkan
pada layar komputer yang telah tersedia
G.
Input dan Output Mikroskop Gaya Atom
Input dari alat Mikroskop gaya atom ini adalah atom
/molekul yang berukuran < 100 nm. Sedangkan output dari alat ini berupa
gambar tiga dimensi dari suatu atom/molekul sehingga gambar yang dihasilkan
sangat jelas, baik bentuk maupun struktur penyusun atom.
Gambar: a) 300 nm x 300 topografi nm scan
sampel partikel FeO.
b) Zoom ke dalam, scan
ukuran 85 nm x 85 nm. Garis putih dengan panah menunjukkan posisi dari sebuah profil garis.
Gbr 4. Contoh
gambar 3D AFM dari tiga tipe yang berbeda bahan Pd, dibangun pada 6H-SiC
Gbr 6.Gambar hasil non-contact modedari butir
titanium-nitrida, a) scanner 10μm b)5 μm
H.
Kelebihan dan Kelemahan Mikroskop Gaya Atom
Mikroskop gaya
atom memiliki beberapa kelebihan dan kelemahan jika dibandingkan dengan
mikroskop elektron.
1.
Kelebihan Mikroskop gaya atom
Mikroskop gaya
atom memiliki beberapa kelebihan bila dibandingkan dengan mikroskop elektron.
Pada mikroskop elektron hanya menyediakan proyeksi dua dimensi atau gambar dua
dimensi dari sampel, sedangkan pada Mikroskop gaya atom memberikan gambaran
sampel tiga dimensi. Mikroskop gaya atom
juga mampu menampilkan gambar dimana ukurannya lebih kecil dari 20 nm. Selain itu, juga memungkinkan
menampilkan gambar yang dari kristal yang lunak dan permukaan polimer. Kelebihan lainnya yaitu sampel yang akan dilihat
menggunakan mikroskop gaya atom tidak memerlukan perawatan khusus seperti
melapisi dengan karbon, dll yang dapat menimbulkan perubahan ireversibel
ataupun kerusakan pada sampel.
Pada mikroskop
elektron membutuhkan ruang vakum yang mahal untuk pengoperasian yang layak,
sedangkan pada Mikroskop gaya atom dapat bekerja dengan baik pada suhu ruangan
dan tekanan udara biasa atau bahkan pada lingkungan cair. Hal ini menyebabkan
mikroskop gaya atom memungkinkan untuk mempelajari biologi makromolekul dan
makhluk hidup. Secara prinsip, mikroskop gaya atom menyediakan resolusi yang
lebih tinggi dibanding dengan mikroskop elektron. Hal tersebut telah dibuktikan
bahwa mikroskop gaya atom dapat memberikan resolusi atom lebih tinggi pada Ultra High Vacum (UHV) dan dalam lingkungan cair. Resolusi mikroskop
gaya atom yang tinggi ini sebanding dengan resolusi untuk mikroskop pemindai
terowongan dan mikroskop elektron transmisi.
2.
Kelemahan Mikroskop gaya atom
Mikroskop gaya atom memiliki beberapa kelemahan bila dibandingkan dengan
mikroskop elektron dilihat dari scan ukuran gambar. Dalam satu kali scan,
mikroskop elektron mendapatkan gambar area dalam unit milimeter dengan
kedalaman milimeter. Sedangkan pada mikroskop gaya atom, hanya dapat menangkap
gambar dengan ketinggian maksimum 10-20
mikrometer dan luas maksimum pengamatan 150 x 150 mikrometer. Salah satu metode
untuk meningkatkan luas pemindaian pada mikroskop gaya atom adalah dengan
menggunakan probe paralel dengan cara yang mirip dengan penyimpanan data
milipede.
Kelemahan lain dari mikroskop gaya atom adalah
memiliki pemindaian yang terbatas. Secara tradisional, mikroskop gaya atom
tidak dapat memindai gambar secepat mikroskop elektron. Mikroskop gaya atom
memerlukan waktu lebih lama untuk memindai, sedangkan mikroskop elektron mampu
memindai dengan cepat meskipun dengan hasil pemindaiannya memiliki kualitas
yang relatif rendah. Lambatnya proses scanning selama pemindaian oleh mikroskop
gaya elektron sering menyebabkan penyimpangan panas pada gambar sehingga
membuat mikroskop gaya atom kurang cocok untuk pengukuran akurat jarak antara
fitur topografi pada gambar. Namun, beberapa desain memberikan saran untuk
meningkatkan produktivitas mikroskop pemindaian dengan menggunakan video
Mikroskop gaya atom. Untuk menghilangkan distorsi padagambar yang disebabkan
oleh penyimpangan panas, beberapa metode telah diperkenalkan.
Gambar Mikroskop
gaya atom juga dapat dipengaruhi oleh histeresis dari bahan piezoelektrik dan
cros-talk antara x,y,z sumbu yang mungkin memerlukan perangkat tambahan berupa
pernagkat lunak dan penyaringan. Penyaringan ini bisa digunakan untuk meratakan
fitur topografi yang keluar. Namun, mikroskop gaya atom baru memanfaatkan
scanner loop tertutup yang praktis untuk menghilangkan masalah ini. Beberapa
scanner terpisah ortogonal juga berfungsi untuk menghilangkan masalah
cros-talk. Seperti halnya teknik pemindaian lain, ada kemungkinan gambar yang
dihasilkan dari pemindaian tip tidak
cocok. Gambar ini tidak dapat dihindari, namun kejadaian dan efeknya pada hasil
dapat dikurangi melalui berbagai metode.
Berdasarkan
sifat dari probe Mikroskop gaya atom, biasanya tidak dapat untuk mengukur
dinding yang curam atau overhang. Maka, dibuat cantilever khusus sehingga
Mikroskop gaya atom dapat digunakan untuk memodulasi probe ke samping serta
atas dan bawah (seperti pada metode kontak dan non-kontak) untuk mengukur
dinding samping.
DAFTAR PUSTAKA
Wikipedia. Mikroskop
Gaya Atom diakses dari http://id.wikipedia.org/wiki/Mikroskop_gaya_atom
-. 2011. Berkenalan
dengan SPM (Scanning Probe Microscope) dan AFM (Atomic Force Microscope)
diakses dari http://stunecity.wordpress.com/2011/02/04/berkenalan-dengan-spm-scanning-probe
microscope-afm-atomic-force- microscope/
Muhamad
Nurissalam. 2014. Atomic Force Microscopy. Magister Kimia Universitas Lampung.
