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]

ABSTRAKCITRA PERMUKAAN SAMPEL DARI CU/SI(100) PADA SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM)

DENGAN POLARITAS SAMPEL BIAS YANG BERBEDA. Topografi pemlukaan sampel dapat memberikan infonnasi mengenaipropreties dan struktur dari sebuah bahan terukur. Telah dikenal beberapa sistem pendukung dalam pengukuran topografi antara lainSEM, STEM dan STM. "Scanning Tunneling Microscope (STM) merupakan sistem pendukung yang tennasuk masih barD, denganprinsip kerja menggunakan media arus tunel yang timbul diantara probe sensor dan pennukaan sampel. Citra yang ditampilkan olehsistem STM ini akan tergantung dari besarnya arus tunel, tegangan bias yang diberikan dan polaritas dari tegangan bias yangdigunakan. 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.

ABSTRACTSCANNING 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 surfacetopography. it has been known some supporting instrument for surface topography measurement, they are : SEM, STEM andSTM. a new supporting instrument for the topography measurement is known as a "Scanning Tunneling Microscope (STM)", withusing a tunnel current which is generated at the gap of probe sensor and surface sample. The STM image is depend on the currenttunnel, voltage bias and the polarity of the voltage bias. According to the polarity of the voltage bias, there are two condition ofthe surface sample, they are : "Empty Stage" and "Field Stage". The different resolution of the image is generated by those twocondition, and it is depend on the purpose of using the image topogrphy..

PENDAHULUAN.

Sejak ditemukan sistem "ScanningTunneling Microscope (STM)", maka sejaksaat itu salah satu metoda untuk melakukankarakteristik bahan adalah Scanning TunnelingMicroscope (STM) yang digunakan untukmengetahui struktur bahan pada ukuranatom[I,2].

ujung jarum diatas permukaan sampel terukur,sedangkan polaritas sampel bias akanmenentukan betuk citra yang dihasilkan.Seperti telah diketahui bahwa prinsip kerja daTiSTM ini adalah memanfaatkan arus tunnelyang timbuI diantara kedua bahan elektroda,maka kondisi permukaan sampel baik dalamkondisi "Empty Stage (elektron berasal darijarum bergerak kearah permukaan sampel)"ataupun dalam kondisi "Field stage (elektronberasal daTi permukaan sampel bergerak kearahjarum pengukur)" akan ditentukan olehpolaritas sampel bias.

Pada penelitian ini dilakukanpercobaan pada sampel Cu/Si (100) denganmetoda yang digunakan adalah metoda aruskonstan, dengan demikian arus akan dijagapada harga tertentu selama pengukurankemudian sampel bias dirubah polaritasnya.Besamya sampel bias yang digunakan padasalah satu kondisi diatas akan menentukanbasil citra yang didapat. Arus tunnel yangdigunakan pada percobaan ini adalah sebesar1.02 nA., daD besamya tegangan bias adalah -1.6 volts pada kondisi "field stage" daDtegangan bias sebesar + 1. 09 volts untuk kondisi

"empty stage".Dari basil percobaan yang didapat

terlihat pengukuran untuk kondisi "EmptyStage" maupun "Field Stage" akan tetapibentuk lembah ataupun puncak dari topograpipermukaan sampel memberikan kontrast yangberbeda. Dengan demikian dengan merubah

Seperti diketahui ada beberapa macamalat ukur untuk mengetahui struktur / topografibahan terukur yang dikenal dengan SEM,Scanning Laser Force Microscope (SLFM),STEM dan yang lainnya.

Prinsip kerja S1M adalahmemanfaatkan awan elektron yang ada padapermukaan bahan teruji dan permukaan jarumpengukur sebagai sensor (Scanning ProbeSensor). Dengan memberikan medan listrikpada sampel dan jarum ukur, maka akanmengalir arus tunnel yang akan menjadiinformasi dari keadaan permukaan sampelterukur. Citra yang dihasilkan oleh S1M iniakan tergantung daTi beberapa parameter yangada antara lain: arus tunnel yang digunakan,ketajaman jarum pengukur sebagai sensor dansampel bias yang diberikan pada kedua bahanelektroda tersebut.

Dengan melihat parameter -parameter diatas maka salah satu hal yangcukup perlu diperhatikan adalah parametersampel bias yang digunakan. Besarnya sampelbias yang digunakan akan menentukan posisi

1 Dipresentasikan pada Seminar llmiah PPSM 19%2 Puslitbang Kalibrasi mstmmentasi Metrologi -LIPI,

~t Produksi Radioisotop -BATAN

346

polaritas sampel bias yang digunakan, akanmemberikan gambar topographi yang berbedahasilnya akan tetapi memberikan informasiyang sarna. Hal tersebut akan memberikankemudahan dalam menganalisa sebuahpermukaan dari sampel.

Teori.

Arus tunnel yang timbul pacta antarakedua bahan elektroda, yaitu ujung jarumpengukur dan permukaan sampel, adalah mediayang akan memberikan informasi permukaandari sampel terukur. Besamya arus yang timbulditentukan olehg beberapa faktor, antara lain:Jarak kedua elektroda tersebut (d), Sampel biasyang diberikan pacta sampel terukur. Hubunganfaktor -faktor tersebut dapat dituiiskan dalampersamaanl3] :

Gambar 1.Prinsip Dasar Scanning Tunneling

Microscope.

Metoda daD basil -basil percobaan.

Pengukuran topografi permukaansampel dengan menggunakan SPB (ScanningProbe Sensor), adalah merupakan metoda yangdigunakan pada instrument pendukung dalampenelitian ilmu bahan (Surface Science).

Dengan demikian juga, ScanningTunneling Microscope (STM), menggunakanSPB yang berupa "needle probe" digunakansebagai sensor untuk mendeteksi tinggirendahnya permukaan sampel. Ordepengukuran yang dideteksi adalah dalam ordeukuran atom. Besaran yang dideteksi dalam hatini adalah arus tunel yang merupakan mediadalam memberikan informasi tentang jarakantara ujung jarnm ukur dengan permukaansampel.

I ~ Cexp.(-2kod)

dengan : I adalah arus tuneld adalah jarak

pengukur terhadap permukaan sampel.jarum

A. Baratoff (1984y4] dalam makalahnyamenyatakan bahwa konstanta C padapersamaan tersebut diatas adalah besaran yangtergantung dari besarnya tegangan bias yangdiberikan pada permukaan sampel terukur.Besaran tersebut dituIiskan dalam persamaan :

Seperti telah diketahui bahwa ada tigafaktor yang mempengaruhi besarnya arus tunelyang timbul, salah satu faktor yang cukuppenting dalam menentukan haasil pengukurantopografi ini adalah besarnya tegangan biasyang diberikan pada ujung jarum clan sampel.Hal tersebut akan menentukan jarak kerja dariujung jarum terhadap permukaan sampelterukur. Selain besarnya tegangan bias tersebut,maka polaritas daTi tegangan bias inipun akansangat menentukan kondisi daTi basilpengukuran topografi daTi permukaan sampel.

Arah arus inilah yang akan menetukankondisi dari permukaan sampel, yaitu dalamkondisi "Empty stage (elektron berasal darijarum ukur bergerak keaarah permukaansampel)" ataupun "Field Stage (elektron berasaldaTi permukaan sampel bergerak kearah ujung

c=

dengan e adalah tegangan bias yang diberikanpada permukaan sarnpel terukur, d adalabjarakkedua elektroda, A adalab luas kedua elektrodayang saling berhadapan.

Dengan melihat kedua persarnaandiatas dapat terlihat babwa ares tunel yangtimbul sangat tergantung pada besarnyategangan bias yang diberikan, disarnping luasserta jarak ujung jarum ukur dan permukaansampel terukur. Sedang arab arus tunel yangtimbul sangat tergantung pada polaaritas daTitegangan bias pada sarnpel terukur, arab arustunel tersebut dapat dilihat pada blok diagramprinsip kerja sistem "STM" pada gambar I.

347

(negatif sampel bias), dengan demikianpennukaan sampel akan mempunyai elektronlebih banyak dan arus akan bergerak dari ujungjarum ke pennukaan sampel (field stage).Besarnya tegangan bias yang diberikan adalahsebesar -1.6 volt dengan arus tunel dijagakonstan sebesar 1.02 nAp, daerah ukumyaadalah sebesar 800 A x 800 A dengan titikperubahan sebesar 1 A.

Dengan demikian akan didapat imagedengan 800 titik pada sumbu x wm terdapat800 garis pada sumbu y. Gambar 2 menunjukanimage Cu/Si(IOO) dalam kondisi "field stage"dengan area image sebesar 200A x 200 A.

jarum ukur)". Kondisi ini akan menentukanimage yang dihasilkan dalam pengukurantCI~grafi dengan sistem S1M.

Pada penelitian ini dilakukanpengukuran 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 tuneldijaga konstan.

Pada percobaan pertama dilakukanpengukuran dengan menggunakan sampel yangdiberi tegangan bias lebih negatipdibandingkan dengan ujung jarum pengukur

J~~".~ ,...f , \1 j:.:k'i~,.r-&f'~

Gambar 2. Image Cu/Si(IOO) dalam kondisi "Field Stage"

digunakan adalah sebesar + 1.09 volt. denganarus tunel dijaga konstan sebesar 1.02nAp.,maka akan didapat image dari permukaansampel yang memberikan bentuk image denganinformasi yang sarna, akan tetapi kontrast datiimage yang didapat akan berlainandibandingkan image dalarn kondisi "Field

Stage".

Pada percobaan ke dua dilakukanpercobaan dengan merebah polaritas teganganbias yang yang digunakan, sehinggapermukaan sampel akan lebih positifdibandingkan dengan ujung jarom ukur.Dengan demikian jumlah elektron pada ujungjarom akan lebih banyak dibandingkan padapermukaan sampel, atau ares akan bergerakdari permukaan sampel menuju ujung jarornukur ( "Empty Stage "). Tegangan bias yang

348

~~t~~1*;~~.,1 "~1.~

&.~IV;..."~ ~

'::1id

Gambar 3. Image Cu/Si(lOO) dalam kondisi "Empty Stage"

PEMBAHASAN.

Percobaan yang telah dilakukan padapenelitian ini terlihat pada garnbar 2 daDgarnbar 3, dimana dapat diketahui perbedaanbasil pengukuran dari sarnpel terukur.Informasi yang diberikan oleh kedua garnbartersebut adalah sarna akan tetapi lembah daDpuncak yang ditunjukan oleh kedua gambartersebut akan berbeda. Tonjolan puncak daDlembah dari permukaan sampel terlibat lebihjelas pada percobaan dengan kondisi "EmptyStage" dibandingkan basil pada kondisi "FieldStage", Hal tersebut disebabkan oleh adanyapancaran elektron dati ujung jarum menujupermukaan sarnpel, jadi terlibat gelombang -gelombang dari permukaan sampel padakondisi tersebut akan lebih jelas.

Kedua kondisi tersebut sangatdiperlukan dalarn penggunaannya pada analisabasil pembahan permukaan sebuah sampel.Sebagai contoh dalam hal sampel yang bempasampel Cu/Si(IOO), terlihat adanya rekonstruksistruktur bahan yang terjadi. Jadi ada kondisi -kondisi tertentu yang memerlukan image yangdihasilkan pada kondisi "empty stage" ataupunpada kondisi "field stage".

Pengukuran yang dilakukan sepertidiatas menggunakan tegangan bias yangberbeda untuk kedua kondisi tersebut. Haltersebut adalah digunakan untuk mendapatbasil pengukuran yang lebih jelas untuk kondisi-kondisi tertentu. Selain besarnya teganganbias yang diatur, arus tunel yang digunakan

juga dapat diatur untuk mendapatkan basilpengukuran yang baik. Salah satu cara adalahdengan membuat agar gap antara jarum daDpermukaan sampel terukur dibuat kecil sekali.Akan tetapi hal ini akan mengakibatkan adanyakemungkinan ujung jarum akan menggorespermukaan sampel selama pengukuran.Sehingga diperlukan ketelitian dalammenentukan jarak kedua bahan tersebut, agarjarum selama pengukuran dapat menghindarikemungkinan menggores permukaan. Padaumumnya pengukuran topografi permukaansampel dilakukan dalam kondisi "Field Stage",karena pengukuran pada kondisi ini akan lebihbanyak keberhasilannya, dibandingkan denganpengukuran dengan kondisi "Empty Stage",hanya saja kondisi pengukuran ini tergantungjuga dari kebutuhannya untuk menganalisastruktur bahan teruji. Seperti halnyapengukuran untuk kebutuhan dalam melihatperubahan tinggi rendahnya permukaan sampelakan lebih mudah dilihat dengan image yangdihasilkan oleh pengukuran dengan kondisi"Empty Stage". Hal lain yang perludiperhatikan dalam melakukan pengukurandengan beda ~laritas tegangan bias adalahrespon time daTi sistem "Feedback Control"daTi sistem yang digunakan.Untuk pengukuran yang memerlukan kondisipengukuran kondisi "Empty Stage" danmendapatkan basil pengukuran dengan resolusiyang baik, dapat dilakukan denganmenggunakan tegangan bias yang lebih kecil,hal tersebut akan menghasilkan jarak antaraujung jarum dengan permukaan sampel lebih

349

dekat. Hal tersebut juga akan memberikan efeklain yaitu ada kemungkinan terjadipenggoresan ujung jarum terhadap permukaansampel. Akan tetapi ada cara untuk menghidarihal tersebut , yaitu dengan membuat respontime sistem "feedback control" di percepat ataukecepatan scanning yang diperlambat.Sehingga kemungkinan terjadinya penggoresandapat dihindari dan diperoleh basil pengukuranyang mempunyai resolusi lebih tinngi.

terjadinya benturan ujung jarum pengukurdengan permukaan sampel.

.Ucapan Terima Kasih.

Dalam penulisan ini saya ucapkan terima kasihkepada Prof. Ichinokawa, yang telah memberikesempatan kepada penulis untuk melakukanpenelitian di Lab. Ichinokawa, WasedaUniversity, Tokyo -Japan. Juga sayasampaikan terima kasih kepada To shu An,Lab. Ichinokawa, Waseda -University, Tokyo -Japan, yang telah memberikan sampelnyauntuk percobaan pada penelitian ini.

KESIMPULAN.

DAFTAR PUSTAKA:.

Dari percobaan tersebut didapat bahwapengukuran topografi dengan sistem "ScanningTunneling Microscope" ini acta dua metoda,ditijau dari cara pemberian tegangan bias padasampel. Kedua image yang dihasilkan akanmempunyai kontrast yang berbeda akan tetapimemberikan informasi yang sarna. Perbedaanyang paling menonjol dari kedua imagetersebut adalah tonjolan puncak dan lembahyang berbeda, pacta kondisi "empty stage" akanmemberikan tonjolan -tonjolan yang lebih jelasdibandingkan image yang dihasilkan olehpengukuran pada kondisi field stage.

Pengukuran dalam kondisi "EmptyStage akan memberikan gambar yang lebihjelas, akan tetapi harus mengatur agar posisiujung jarum diatas permukaan sampel lebihdekat. Hal tersebut akan memberikan ketidakstabilan yang tinggi, daD ada kemungkiruln

1. BINNIG, G. clan ROHRER, H (1983),Scanning Tunneling Microscopy, SurfaceScience, 126, p. 236 -244.

2. ARJADI, H.R., (1992), Disain dankonstroksi STM untuk penelitian topograficlan properties polimer lapisan tipis yangdidepositkan paada bahan konduktor,Publikasi ilmiah pertemuan clan presentasiilrniah Puslitbang KIM -LIPI, p. 82 -104.

3. DEKKER, A.J., (1970), Solid StatePhysics, Macrnilan, London.

4. BARATOFF, A., (1984), Theory ofScanning Tunneling Microscopy -Methodsand Approximations, Physica, 127B, p.143 -150.

350