Citra Permukaan Sampel Dari Cu/Si(lOO) pada Scanning Tunneling Microscope (STM) dengan Polaritas Sam pel Bias Yang Berbeda (1)

Transkripsi

1 Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi 1996 Citra Permukaan Sampel Dari Cu/Si(lOO) pada Scanning Tunneling Microscope (STM) dengan Polaritas Sam pel Bias Yang Berbeda (1) R. Harry Arjadi[2], Laksmi Andri Astuti[3] ABSTRAK CITRA PERMUKAAN SAMPEL DARI CU/SI(100) PADA SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM) DENGAN POLARITAS SAMPEL BIAS YANG BERBEDA. Topografi pemlukaan sampel dapat memberikan infonnasi mengenai propreties dan struktur dari sebuah bahan terukur. Telah dikenal beberapa sistem pendukung dalam pengukuran topografi antara lain SEM, STEM dan STM. "Scanning Tunneling Microscope (STM) merupakan sistem pendukung yang tennasuk masih bard, dengan prinsip kerja menggunakan media arus tunel yang timbul diantara probe sensor dan pennukaan sampel. Citra yang ditampilkan oleh sistem STM ini akan tergantung dari besarnya arus tunel, tegangan bias yang diberikan dan polaritas dari tegangan bias yang digunakan. Sesuai dengan polaritas tegangan bias, maka kondisi pemlukaan sampel ada dalam dua kondisi yaitu : "EmptY Stage" dan "Field Stage". Ke dua kondisi tersebut akan memberikan resolusi citra yang berbeda dan tergantung darikebutuhan. ABSTRACT SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM) IMAGE OF Cu/Si (100) SURFACE SAMPEL WITH DIFFERENT SAMPLE BIAS POLARITY. The material properties and structure information can be shown by its surface topography. it has been known some supporting instrument for surface topography measurement, they are : SEM, STEM and STM. a new supporting instrument for the topography measurement is known as a "Scanning Tunneling Microscope (STM)", with using a tunnel current which is generated at the gap of probe sensor and surface sample. The STM image is depend on the current tunnel, voltage bias and the polarity of the voltage bias. According to the polarity of the voltage bias, there are two condition of the surface sample, they are : "Empty Stage" and "Field Stage". The different resolution of the image is generated by those two condition, and it is depend on the purpose of using the image topogrphy.. PENDAHULUAN. Sejak ditemukan sistem "Scanning Tunneling Microscope (STM)", maka sejak saat itu salah satu metoda untuk melakukan karakteristik bahan adalah Scanning Tunneling Microscope (STM) yang digunakan untuk mengetahui struktur bahan pada ukuran atom[i,2]. Seperti diketahui ada beberapa macam alat ukur untuk mengetahui struktur / topografi bahan terukur yang dikenal dengan SEM, Scanning Laser Force Microscope (SLFM), STEM dan yang lainnya. Prinsip kerja S1M adalah memanfaatkan awan elektron yang ada pada permukaan bahan teruji dan permukaan jarum pengukur sebagai sensor (Scanning Probe Sensor). Dengan memberikan medan listrik pada sampel dan jarum ukur, maka akan mengalir arus tunnel yang akan menjadi informasi dari keadaan permukaan sampel terukur. Citra yang dihasilkan oleh S1M ini akan tergantung dati beberapa parameter yang ada antara lain: arus tunnel yang digunakan, ketajaman jarum pengukur sebagai sensor dan sampel bias yang diberikan pada kedua bahan elektroda tersebut. Dengan melihat parameter - parameter diatas maka salah satu hal yang cukup perlu diperhatikan adalah parameter sampel bias yang digunakan. Besarnya sampel bias yang digunakan akan menentukan posisi 1 Dipresentasikan pada Seminar llmiah PPSM 19% 2 Puslitbang Kalibrasi mstmmentasi Metrologi -LIPI, ~t Produksi Radioisotop -BATAN ujung jarum diatas permukaan sampel terukur, sedangkan polaritas sampel bias akan menentukan betuk citra yang dihasilkan. Seperti telah diketahui bahwa prinsip kerja dati STM ini adalah memanfaatkan arus tunnel yang timbui diantara kedua bahan elektroda, maka kondisi permukaan sampel baik dalam kondisi "Empty Stage (elektron berasal dari jarum bergerak kearah permukaan sampel)" ataupun dalam kondisi "Field stage (elektron berasal dati permukaan sampel bergerak kearah jarum pengukur)" akan ditentukan oleh polaritas sampel bias. Pada penelitian ini dilakukan percobaan pada sampel Cu/Si (100) dengan metoda yang digunakan adalah metoda arus konstan, dengan demikian arus akan dijaga pada harga tertentu selama pengukuran kemudian sampel bias dirubah polaritasnya. Besamya sampel bias yang digunakan pada salah satu kondisi diatas akan menentukan basil citra yang didapat. Arus tunnel yang digunakan pada percobaan ini adalah sebesar 1.02 na., dad besamya tegangan bias adalah volts pada kondisi "field stage" dad tegangan bias sebesar volts untuk kondisi "empty stage". Dari basil percobaan yang didapat terlihat pengukuran untuk kondisi "Empty Stage" maupun "Field Stage" akan tetapi bentuk lembah ataupun puncak dari topograpi permukaan sampel memberikan kontrast yang berbeda. Dengan demikian dengan merubah 346

2 polaritas sampel bias yang digunakan, akan memberikan gambar topographi yang berbeda hasilnya akan tetapi memberikan informasi yang sarna. Hal tersebut akan memberikan kemudahan dalam menganalisa sebuah permukaan dari sampel. Teori. Arus tunnel yang timbul pacta antara kedua bahan elektroda, yaitu ujung jarum pengukur dan permukaan sampel, adalah media yang akan memberikan informasi permukaan dari sampel terukur. Besamya arus yang timbul ditentukan olehg beberapa faktor, antara lain: Jarak kedua elektroda tersebut (d), Sampel bias yang diberikan pacta sampel terukur. Hubungan faktor -faktor tersebut dapat dituiiskan dalam persamaanl3] : I ~ Cexp.(-2kod) dengan : I adalah arus tunel d adalah jarak jarum pengukur terhadap permukaan sampel. A. Baratoff (1984y4] dalam makalahnya menyatakan bahwa konstanta C pada persamaan tersebut diatas adalah besaran yang tergantung dari besarnya tegangan bias yang diberikan pada permukaan sampel terukur. Besaran tersebut dituiiskan dalam persamaan : c= dengan e adalah tegangan bias yang diberikan pada permukaan sarnpel terukur, d adalabjarak kedua elektroda, A adalab luas kedua elektroda yang saling berhadapan. Dengan melihat kedua persarnaan diatas dapat terlihat babwa ares tunel yang timbul sangat tergantung pada besarnya tegangan bias yang diberikan, disarnping luas serta jarak ujung jarum ukur dan permukaan sampel terukur. Sedang arab arus tunel yang timbul sangat tergantung pada polaaritas dati tegangan bias pada sarnpel terukur, arab arus tunel tersebut dapat dilihat pada blok diagram prinsip kerja sistem "STM" pada gambar I. Gambar 1. Prinsip Dasar Scanning Tunneling Microscope. Metoda dad basil -basil percobaan. Pengukuran topografi permukaan sampel dengan menggunakan SPB (Scanning Probe Sensor), adalah merupakan metoda yang digunakan pada instrument pendukung dalam penelitian ilmu bahan (Surface Science). Dengan demikian juga, Scanning Tunneling Microscope (STM), menggunakan SPB yang berupa "needle probe" digunakan sebagai sensor untuk mendeteksi tinggi rendahnya permukaan sampel. Orde pengukuran yang dideteksi adalah dalam orde ukuran atom. Besaran yang dideteksi dalam hat ini adalah arus tunel yang merupakan media dalam memberikan informasi tentang jarak antara ujung jarnm ukur dengan permukaan sampel. Seperti telah diketahui bahwa ada tiga faktor yang mempengaruhi besarnya arus tunel yang timbul, salah satu faktor yang cukup penting dalam menentukan haasil pengukuran topografi ini adalah besarnya tegangan bias yang diberikan pada ujung jarum clan sampel. Hal tersebut akan menentukan jarak kerja dari ujung jarum terhadap permukaan sampel terukur. Selain besarnya tegangan bias tersebut, maka polaritas dati tegangan bias inipun akan sangat menentukan kondisi dati basil pengukuran topografi dati permukaan sampel. Arah arus inilah yang akan menetukan kondisi dari permukaan sampel, yaitu dalam kondisi "Empty stage (elektron berasal dari jarum ukur bergerak keaarah permukaan sampel)" ataupun "Field Stage (elektron berasal dati permukaan sampel bergerak kearah ujung 347

3 jarum ukur)". Kondisi ini akan menentukan image yang dihasilkan dalam pengukuran tci~grafi dengan sistem S1M. Pada penelitian ini dilakukan pengukuran permukaan sampel dati Cu/Si(IOO) denga ukuran sebesar Ix I cm2, pada UHV- STM buatan "omicron" di Waseda University. Metoda yang digunakan adalah metoda "Current Constant" dengan kata lain arus tunel dijaga konstan. Pada percobaan pertama dilakukan pengukuran dengan menggunakan sampel yang diberi tegangan bias lebih negatip dibandingkan dengan ujung jarum pengukur (negatif sampel bias), dengan demikian pennukaan sampel akan mempunyai elektron lebih banyak dan arus akan bergerak dari ujung jarum ke pennukaan sampel (field stage). Besarnya tegangan bias yang diberikan adalah sebesar -1.6 volt dengan arus tunel dijaga konstan sebesar 1.02 nap, daerah ukumya adalah sebesar 800 A x 800 A dengan titik perubahan sebesar 1 A. Dengan demikian akan didapat image dengan 800 titik pada sumbu x wm terdapat 800 garis pada sumbu y. Gambar 2 menunjukan image Cu/Si(IOO) dalam kondisi "field stage" dengan area image sebesar 200A x 200 A. J~~ ".~,...f,\1 j:.:k'i~,. r-&f'~ Gambar 2. Image Cu/Si(IOO) dalam kondisi "Field Stage" Pada percobaan ke dua dilakukan percobaan dengan merebah polaritas tegangan bias yang yang digunakan, sehingga permukaan sampel akan lebih positif dibandingkan dengan ujung jarom ukur. Dengan demikian jumlah elektron pada ujung jarom akan lebih banyak dibandingkan pada permukaan sampel, atau ares akan bergerak dari permukaan sampel menuju ujung jarorn ukur ( "Empty Stage "). Tegangan bias yang digunakan adalah sebesar volt. dengan arus tunel dijaga konstan sebesar 1.02nAp., maka akan didapat image dari permukaan sampel yang memberikan bentuk image dengan informasi yang sarna, akan tetapi kontrast dati image yang didapat akan berlainan dibandingkan image dalarn kondisi "Field Stage". 348

4 '::1id ~~.,1 "~1.~ &.~IV;..." ~ ~ ~~t~~1*; Gambar 3. Image Cu/Si(lOO) dalam kondisi "Empty Stage" PEMBAHASAN. Percobaan yang telah dilakukan pada penelitian ini terlihat pada garnbar 2 dad garnbar 3, dimana dapat diketahui perbedaan basil pengukuran dari sarnpel terukur. Informasi yang diberikan oleh kedua garnbar tersebut adalah sarna akan tetapi lembah dad puncak yang ditunjukan oleh kedua gambar tersebut akan berbeda. Tonjolan puncak dad lembah dari permukaan sampel terlibat lebih jelas pada percobaan dengan kondisi "Empty Stage" dibandingkan basil pada kondisi "Field Stage", Hal tersebut disebabkan oleh adanya pancaran elektron dati ujung jarum menuju permukaan sarnpel, jadi terlibat gelombang - gelombang dari permukaan sampel pada kondisi tersebut akan lebih jelas. Kedua kondisi tersebut sangat diperlukan dalarn penggunaannya pada analisa basil pembahan permukaan sebuah sampel. Sebagai contoh dalam hal sampel yang bempa sampel Cu/Si(IOO), terlihat adanya rekonstruksi struktur bahan yang terjadi. Jadi ada kondisi - kondisi tertentu yang memerlukan image yang dihasilkan pada kondisi "empty stage" ataupun pada kondisi "field stage". Pengukuran yang dilakukan seperti diatas menggunakan tegangan bias yang berbeda untuk kedua kondisi tersebut. Hal tersebut adalah digunakan untuk mendapat basil pengukuran yang lebih jelas untuk kondisi -kondisi tertentu. Selain besarnya tegangan bias yang diatur, arus tunel yang digunakan juga dapat diatur untuk mendapatkan basil pengukuran yang baik. Salah satu cara adalah dengan membuat agar gap antara jarum dad permukaan sampel terukur dibuat kecil sekali. Akan tetapi hal ini akan mengakibatkan adanya kemungkinan ujung jarum akan menggores permukaan sampel selama pengukuran. Sehingga diperlukan ketelitian dalam menentukan jarak kedua bahan tersebut, agar jarum selama pengukuran dapat menghindari kemungkinan menggores permukaan. Pada umumnya pengukuran topografi permukaan sampel dilakukan dalam kondisi "Field Stage", karena pengukuran pada kondisi ini akan lebih banyak keberhasilannya, dibandingkan dengan pengukuran dengan kondisi "Empty Stage", hanya saja kondisi pengukuran ini tergantung juga dari kebutuhannya untuk menganalisa struktur bahan teruji. Seperti halnya pengukuran untuk kebutuhan dalam melihat perubahan tinggi rendahnya permukaan sampel akan lebih mudah dilihat dengan image yang dihasilkan oleh pengukuran dengan kondisi "Empty Stage". Hal lain yang perlu diperhatikan dalam melakukan pengukuran dengan beda ~laritas tegangan bias adalah respon time dati sistem "Feedback Control" dati sistem yang digunakan. Untuk pengukuran yang memerlukan kondisi pengukuran kondisi "Empty Stage" dan mendapatkan basil pengukuran dengan resolusi yang baik, dapat dilakukan dengan menggunakan tegangan bias yang lebih kecil, hal tersebut akan menghasilkan jarak antara ujung jarum dengan permukaan sampel lebih 349

5 dekat. Hal tersebut juga akan memberikan efek lain yaitu ada kemungkinan terjadi penggoresan ujung jarum terhadap permukaan sampel. Akan tetapi ada cara untuk menghidari hal tersebut, yaitu dengan membuat respon time sistem "feedback control" di percepat atau kecepatan scanning yang diperlambat. Sehingga kemungkinan terjadinya penggoresan dapat dihindari dan diperoleh basil pengukuran yang mempunyai resolusi lebih tinngi. KESIMPULAN. Dari percobaan tersebut didapat bahwa pengukuran topografi dengan sistem "Scanning Tunneling Microscope" ini acta dua metoda, ditijau dari cara pemberian tegangan bias pada sampel. Kedua image yang dihasilkan akan mempunyai kontrast yang berbeda akan tetapi memberikan informasi yang sarna. Perbedaan yang paling menonjol dari kedua image tersebut adalah tonjolan puncak dan lembah yang berbeda, pacta kondisi "empty stage" akan memberikan tonjolan -tonjolan yang lebih jelas dibandingkan image yang dihasilkan oleh pengukuran pada kondisi field stage. Pengukuran dalam kondisi "Empty Stage akan memberikan gambar yang lebih jelas, akan tetapi harus mengatur agar posisi ujung jarum diatas permukaan sampel lebih dekat. Hal tersebut akan memberikan ketidak stabilan yang tinggi, dad ada kemungkiruln terjadinya benturan ujung jarum pengukur dengan permukaan sampel..ucapan Terima Kasih. Dalam penulisan ini saya ucapkan terima kasih kepada Prof. Ichinokawa, yang telah memberi kesempatan kepada penulis untuk melakukan penelitian di Lab. Ichinokawa, Waseda University, Tokyo -Japan. Juga saya sampaikan terima kasih kepada To shu An, Lab. Ichinokawa, Waseda -University, Tokyo - Japan, yang telah memberikan sampelnya untuk percobaan pada penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA:. 1. BINNIG, G. clan ROHRER, H (1983), Scanning Tunneling Microscopy, Surface Science, 126, p ARJADI, H.R., (1992), Disain dan konstroksi STM untuk penelitian topografi clan properties polimer lapisan tipis yang didepositkan paada bahan konduktor, Publikasi ilmiah pertemuan clan presentasi ilrniah Puslitbang KIM -LIPI, p DEKKER, A.J., (1970), Solid State Physics, Macrnilan, London. 4. BARATOFF, A., (1984), Theory of Scanning Tunneling Microscopy -Methods and Approximations, Physica, 127B, p