Scanning Tunneling Microscope (STM)

Proses Scanning Tunnelling Microscopy dikembangkan oleh Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer di IBM laboratorium Zurich pada tahun 1981, dan memperoleh Nobel untuk Fisika pada tahun 1986. Proses ini memiliki kemampuan untuk menggambar dan memanipulasi individual atom dalam lingkungan non-vakum pada suhu kamar. Scanning Tunneling Microscopy (STM) adalah salah satu teknik analisis permukaan yang telah menyebabkan sebuah revolusi dalam pencitraan pada resolusi atom.

Emisi foton dari permukaan logam yang disebabkan oleh elektron tunneling di scanning tunneling microscopy (STM) telah menarik minat untuk analisis permukaan pada skala nanometer karena peta intensitas mencerminkan berbagai properti permukaan resolusi tinggi. Beberapa peneliti telah berhasil mendapatkan peta STM foton diinduksi dengan skala nanometer atau skala resolusi atom dalam UHV. Namun, interpretasi kontras dalam peta foton tidak langsung karena emisi foton ini disebabkan melalui berbagai proses dalam STM.

Dalam rangka untuk menafsirkan kontras peta foton, kita perlu mengetahui hubungan antara struktur geometrik  puncak tip STM dan permukaan sampel dan spektrum foton dan intensitas foton.

Prinsip kerja dari sistem STM adalah memanfaatkan arus tunnel yang timbul pada gap antara ujung jarum pengukur (needle tip) dan permukaan sample terukur. Arus tunel yang terjadi adalah arus yang timbul akibat adanya overlapping  awan elektron yang dimiliki oleh kedua konduktor yang saling bedekatan bila diberi beda potensial padanya. Dalam hal ini adalah ujung jarum pengukur dan permukaan sampel terukur.

            Seperti telah diketahui bahwa total kerapatan arus dari elektron tunel tidak menjadi nol pada permukaan luas dari sampel, akan tetapi berkurang menurut fungsieksponensial sampai beberapa Amstrom dari permukaan bagian luar sampel yang sering disebut awan elektron.

            Bila ada dua buah konduktor yang didekatkan satu sama lain pada orde Angstrom, kemudian diberikan beda potensial kepadanya maka akan timbul aliran arus dari suatu konduktor menuju konduktor yang lainnya. Karena arus tersebut dikenal dengan arus tunel. Arus tunel inilah yang menjadi dasar pengukuran dengan menggunakan sistem scanning tunneling microscope (STM).

            Pada umumnya besar arus tunnel yang digunakan dalam sistem STM antara 0,5 nA sampai dengan 2,5 nA dan besarnya tegangan bias yang digunakan adalah antara 0,5 volt sampai dengan 2,0 volt. Batasan penggunaan arus kerja dan teganagn sampel bias tersebut adalah untuk menghindari terjadinya kerusakan pada permukaan sampel dan ujung jarum pengukur.  Hal tersebut mungkin terjadi karena keterbatasan respon dari sistem umpan balik dari sistem scanner atau terlalu dekatnya ujung jarum pada permukaan sampel terukur. Dengan memberikan sampel bias yang lebih tinggi dari tegangan kerjanya, yaitu berkisar antara 3,0 volt sampai 0,5 volt maka permukaan ujung jarum daapt diperbaiki dan akan mendapatkan hasil pengukuran yang benar. Dengan demikian, dari image yang akan dihasilkan akan dapat dianalisa dan memberikan informasi yang benar.

            Resolusi yang baik dari image sampel hasil pengkuran dengan sistem STM adalah tergantung dari ketajaman dan kebersihan jarum pengukur (needle tip probe). Dalam penggunaan sistem UHV-STM, pada umumnya pemurnian, pembersihan dari pemukaan sampel dan ujung jarum dilakukan dalam ruang vakum (vakum chamber). Pada kondisi-kondisi tertentu ada kemungkinan jarum menjadi terkontaminasi dengan elemen lain seperti halnya oksigen yang kemudian menjadi arang, dan hal tersebut menyebabkan ujung jarum akan berubah parameternya antara lain : ujung jarum menjadi rata (flat) atau mempunyai ujung yang berganda (multi tips).

            Untuk suatu proses pengukuran sebuah sample terukur, ruang vakum tidak boleh dibuka sampai pengukuran selesai. Hal tersebut diperlukan karena dalam mempersiapkan proses pengukuran ini diperlukan waktu yang cukup lama, mulai dari mermpersiapkan sampel dengan pemurnian dan pemanansan sampel (heat treatment) sampai persiapan sistem vakumnya sendiri, yaitu dengan pemanasan chamber(bake out vacum chamber system). Apabila selama percobaan kondisi ujung jarum berubah seperti yang disebutkan diatas, maka perlu dilakukuan perbaikan /perubahan parameter dari ujung jarum ukur tersebut untuk mendapatkan hasil yang benar, dan perubahan parameter tersebut perlu dilakukan didalam ruang vakum.