Mata manusia merupakan salah satu organ tubuh paling penting. Organ ini mampu melihat suatu objek dengan bantuan cahaya / gelombang elektronik dengan panjang gelombang sekitar 400 – 700 nm. Dengan segala kemampuannya itu, ternyata mata manusia masih memiliki keterbatasan tidak mampu melihat objek yang sangat kecil. Menurut Reylight yang dijabarkan dalam persamaan θ = 1,22 (λ/D) (Haliday, Resnick, & Walker, 2014), mata manusia dengan jarak pandang normal sekitar 25 cm hanya dapat melihat objek paling kecil sekitar 0,04 mm. Untuk dapat melihat benda yang lebih kecil, manusia membutuhkan alat bantu seperti mikroskop.

Mikroskop Optik vs Mikroskop Elektron

Mikroskop optik menggunakan cahaya sebagai media untuk menampilkan objek. Cahaya tampak memiliki panjang gelombang 400 –  700 nm. Secara teori suatu gelombang bisa memperlihatkan suatu objek jika objek tersebut memiliki ukuran minimal setengah dari panjang gelombangnya, yaitu sekitar 200 –  350 nm. Panjang gelombang cahaya tampak inilah yang kemudian menjadi hambatan untuk bisa melihat objek dengan perbesaran yang lebih tinggi lagi. Secara umum mikroskop cahaya hanya mampu melihat dengan perbesaran 1.000 kali.

Berbeda dengan mikroskop cahaya, mikroskop elektron menggunakan elektron sebagai media penampil gambarnya. Panjang gelombang elektron bisa seratus ribu kali lebih pendek daripada panjang gelombang cahaya tampak. Hal ini mengakibatkan mikroskop elektron bisa melihat dengan perbesaran yang jauh lebih tinggi daripada mikroskop cahaya. Secara teori mikroskop elektron dapat melihat hingga perbesaran 1.000.000 kali, namun banyak faktor-faktor lain mempengaruhi perbesaran ini sehingga perbesaran setinggi itu sulit untuk tercapai.

Salah satu kendala dalam menggunakan elektron sebagai pengganti cahaya adalah elektron sangat mudah terserap oleh molekul-molekul yang ada pada udara. Untuk mengantisipasi hal ini, maka sumber elektron, lensa elektromagnetik dan sampel harus berada pada ruang hampa udara (vakum). Kondisi hampa udara ini dapat tercapai dengan cara menyedot udara pada chamber SEM menggunakan pompa vakum. Hal inilah yang menyebabkan mikroskop elektron memilki ukuran yang lebih besar daripada mikroskop optik.

Cara Kerja Scanning Electron Microscope

Scanning Electron Microscope (SEM) menggunakan konsep pantulan elektron sebagai prinsip kerjanya. Electron gun yang berada dalam SEM berfungsi menembakkan elektron ke arah sampel. Dalam electron gun ini terdapat filamen yang berfungsi sebagai katoda. Filamen ini dipanaskan dengan cara dialiri arus listrik sehingga menghasilkan cahaya serta awan elektron di sekitar filamen. untuk menembakkan elektron bisa ditembakkan, maka ditempatkan anoda yang berlubang di dekat filamen. Elektron yang bermuatan negatif akan tertarik oleh anoda yang ada di bawahnya yang kemudian ditembakkan melalui lubang di anoda. Pengaturan kecepatan elektron ini dilakukan dengan mengatur tegangan (accelerating voltage) dari anoda dan katoda.

Electron gun menghasilkan elektron yang masih belum terarah dan cenderung menyebar. Untuk mengarahkan elektron ini dapat menggunakan lensa magnetik. Lensa magnetik tersusun dari lilitan kawat yang dialiri arus listrik. Sesuai dengan kaidah tangan kanan, maka dari lilitan kawat berarus listrik akan menghasilkan medan magnet. Dengan pengaruh medan magnet ini, elektron akan bergerak secara heliks melewati lensa magnetik. Pergerakan elektron ketika melewati lensa magnetik terlihat pada gambar 3. 

SEM memiliki 2 lensa magnetik yaitu lensa kondenser yang berada di dekat filamen, dan lensa objektif yang berada di dekat objek. Lensa kondenser berfungsi untuk mengatur ukuran electron beam serta jumlah elektron yang lewat. Lensa objektif berfungsi memfokuskan elektron yang mengenai sampel / objek.

Pada SEM jenis lama, sampel harus bersifat konduktif. Sampel dengan sifat konduktifitas yang baik seperti logam bisa langsung diamati menggunakan SEM tanpa perlu persiapan khusus. Sebaliknya sampel batu, bata, kayu, dan bahan non konduktif lainnya harus mengalami proses pelapisan terlebih dahulu sehingga permukaannya bersifat konduktif. Sampel ini akan dilapisi dengan emas melalui proses coating. Pelapisan ini biasanya hanya setebal 10 µm sehingga tidak merubah bentuk permukaan sampel (Boldin, 2010).

Backscaterred dan secondary electron

Elektron yang telah melewati lensa objektif kemudian akan menumbuk sampel. Bila sampel terkena tembakan elektron akan terdapat 3 kemungkinan yang bisa terjadi, yang pertama elektron akan menembus sampel tanpa bertabrakan dengan elektron sampel. Kemungkinan kedua elektron akan menabrak elektron dari sampel, sehingga elektron sampel akan terpental (secondary electron). Yang terakhir yaitu elektron menabrak inti dari sampel dan kemudian memantul (backscattered electron).

Secondary electron akan menampilkan kontur dari permukaan sampel. Permukaan yang lebih tinggi akan berwarna lebih cerah, sedangkan permukaan yang lebih rendah akan berwarna gelap. Berbeda dengan secondary electron, backscattered electron menampilkan keterangan nomer atom / massa atom dari sampel. Bila nomer atom lebih tinggi (massa atom lebih besar), maka elektron yang menyebar (scattered) setelah inti tertabrak incident electron akan memiliki energi yang lebih tinggi dan jumlah yang lebih banyak. Detektor yang ada pada SEM kemudian mendeteksi elektron-elektron tersebut dan menampilkannya pada monitor CRT. Semakin cerah gambar, maka semakin berat massa atom pada daerah tersebut. Perbandingan tampilan backscattered electron dan secondary electron terlihat pada gambar 4.

Tampilan gambar dari SEM merupakan gambar hitam putih, tidak berwarna seperti mikroskop optik. Warna yang terlihat dari suatu objek bergantung pada panjang gelombang cahaya yang memantul dari objek tersebut. Mikroskop elektron tidak menggunakan cahaya sebagai media penampilnya sehingga tidak terdapat informasi warna dari hasil gambarnya. Bila ada hasil gambar SEM yang berwarna, maka gambar tersebut telah mengalami proses editing menggunakan software lain.

Balai Konservasi Borobudur menerima analisis sampel menggunakan Scanning Electron Microscope

Balai Konservasi Borobudur memiliki 1 buah SEM dengan merk Jeol JSM – T300. SEM ini merupakan seri lama keluaran tahun 1980-an. Meskipun demikian, alat ini masih beroperasi dengan baik sehingga masih dapat melihat objek dengan perbesaran efektif hingga 5.000 x. Kemampuan SEM untuk dapat melihat objek dengan jelas bergantung oleh banyak faktor antara lain jenis sampel, lamanya proses coating, kondisi filamen, dan banyak faktor lain. Hal ini menyebabkan tidak semua jenis sampel bisa mencapai perbesaran tersebut.

Balai Konservasi Borobudur menerima analisis sampel SEM baik itu dari masyarakat umum, instansi pemerintah, pelajar maupun mahasiswa. Tarif analisis SEM Balai Konservasi Borobudur berdasarkan Peraturan Pemerintah Nomor 82 Tahun 2016 terlihat pada tabel berikut. Waktu analisis SEM bergantung pada jenis sampel serta banyaknya antrian analisis sampel.

No	Asal Sampel	Tarif per Sampel
1	Masyarakat umum	Rp 350.000,-
2	Pelajar / mahasiswa hingga strata 1	Rp 280.000,-
3	Mahasiswa strata 2 dan 3	Rp 300.000,-

Daftar Pustaka

Boldin, P. (2010). Electric Field Measurement Using Scanning Electron Microscope. Lappeenranta University of Technology.

Haliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2014). Fundamentals of Physics (Tenth Edit). John Wiley & Sons.

Myscope Microscopy Training. (2012, 9 Oktober). Magnetic lens system. Akses 27 Agustus 2020, dari https://myscope.training/legacy/tem/background/whatistem/lens.php

Nishimura, Masako, Ichikawa, Kaori, Ajima, Masahiko. 2016. “Features and applications of Hitachi tabletop microscope TM3030Plus”. https://www.hitachi-hightech.com/global/sinews/ technical_explanation/07071/. 27 Agustus 2020.

Science Learning Hub. (2012, 29 Februari). Magnification and resolution. Akses 27 Agustus 2020, dari https://www.sciencelearn.org.nz/resources/495-magnification-and-resolution