Mikroskop Gaya Atom (AFM)

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 IBMZurich. 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.
Gambar 1. Tip
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 atomdibentuk 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 probeMikroskop 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.

Loading...

Add a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *