Mikroskop elektron transmisi (TEM) adalah teknik pencitraan resolusi tinggi yang menggunakan berkas elektron yang ditransmisikan melalui spesimen ultra-tipis untuk membentuk gambar. TEM dapat mencapai resolusi skala atom, menjadikannya penting untuk mengkarakterisasi nanomaterial, struktur kristal, dan ultrastruktur seluler.
Prinsip TEM
Dalam TEM, elektron dipercepat ke energi tinggi (biasanya 60–300 keV) dan difokuskan ke spesimen oleh lensa kondensor elektromagnetik. Berkas elektron melewati spesimen, dan elektron yang muncul dikumpulkan oleh lensa objektif untuk membentuk baik gambar maupun pola difraksi. Kontras dalam gambar TEM muncul dari variasi densitas elektron, ketebalan, dan orientasi kristalografi di seluruh spesimen.
Panjang gelombang de Broglie elektron berenergi tinggi jauh lebih pendek daripada cahaya tampak. Pada 200 keV, panjang gelombang elektron sekitar 2,5 pm, memungkinkan resolusi teoretis di bawah 1 Å. Dalam praktiknya, aberasi lensa membatasi resolusi hingga sekitar 0,5–1 Å pada instrumen yang telah dikoreksi aberasinya.
Komponen Instrumen
Kolom TEM terdiri dari senjata elektron, biasanya senjata emisi medan (FEG) untuk kecerahan dan koherensi tinggi. Lensa kondensor mengontrol kondisi iluminasi. Tahap spesimen memungkinkan pemosisian, pemiringan, dan pemanasan atau pendinginan yang presisi. Lensa objektif adalah komponen paling kritis untuk pembentukan gambar. Lensa proyektor memperbesar gambar atau pola difraksi ke detektor, biasanya kamera CCD atau CMOS atau detektor elektron langsung.
Apertur di kolom memungkinkan pemilihan ukuran berkas dan sudut hamburan tertentu. Seluruh kolom dijaga dalam vakum tinggi untuk mencegah hamburan elektron oleh molekul gas.
Mekanisme Pembentukan Gambar
Kontras massa-ketebalan terjadi ketika daerah yang lebih tebal atau lebih padat menghamburkan lebih banyak elektron keluar dari berkas, tampak lebih gelap dalam gambar. Kontras difraksi muncul dari spesimen kristalin di mana butiran yang berorientasi pada sudut Bragg menghamburkan elektron dengan kuat. Kontras fase, yang dihasilkan oleh interferensi antara berkas yang ditransmisikan dan dihamburkan, adalah dasar untuk pencitraan TEM resolusi tinggi (HRTEM) dari kisi atom.
Mode TEM pemindaian (STEM) memfokuskan berkas elektron ke probe halus yang menyapu spesimen. Detektor yang mengumpulkan sinyal annular dark-field (ADF) dan high-angle annular dark-field (HAADF) memberikan gambar kontras-Z di mana intensitas berskala dengan nomor atom.
Persiapan Sampel
Persiapan sampel adalah aspek paling kritis dan menantang dari TEM. Spesimen harus cukup tipis agar elektron dapat mentransmisikan, biasanya kurang dari 100 nm untuk TEM konvensional dan di bawah 50 nm untuk pekerjaan resolusi tinggi.
Untuk material, electropolishing menghasilkan daerah transparan-elektron pada logam. Focused ion beam (FIB) milling mengekstrak lamela spesifik-situs dari sampel curah. Pemolesan mekanis diikuti oleh Ar-ion milling digunakan untuk keramik dan semikonduktor. Nanopartikel cukup didepositkan ke grid tembaga berlapis karbon.
Untuk sampel biologis, fiksasi kimia dengan glutaraldehida dan osmium tetroksida diikuti oleh dehidrasi dan penanaman dalam resin epoksi. Bagian ultra-tipis dipotong dengan pisau berlian pada ultramikrotom. Kriopreservasi TEM dari spesimen beku-terhidrasi yang divitrifikasi menghindari artefak fiksasi dan mempertahankan struktur asli.
Kemampuan Analitis
Difraksi elektron area terpilih (SAED) memberikan informasi kristalografi dari daerah sekecil beberapa ratus nanometer. Difraksi elektron berkas konvergen (CBED) memberikan informasi simetri tiga dimensi dari volume skala nano.
Spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS atau EDX) dalam TEM mendeteksi sinar-X karakteristik untuk analisis komposisi unsur pada skala nano. Spektroskopi kehilangan energi elektron (EELS) mengukur distribusi energi elektron yang ditransmisikan, memberikan informasi tentang komposisi unsur, ikatan kimia, dan struktur elektronik. EELS sangat sensitif terhadap unsur ringan seperti karbon, nitrogen, dan oksigen.
Aplikasi
TEM sangat penting untuk mengkarakterisasi nanopartikel, quantum dot, kawat nano, dan material 2D seperti graphene. Dalam metalurgi, TEM mengungkapkan dislokasi, batas butir, dan presipitat. Dalam manufaktur semikonduktor, TEM mengukur ketebalan gerbang oksida dan dimensi saluran. Dalam biologi, cryo-TEM telah merevolusi biologi struktural dengan menentukan struktur atom kompleks protein, virus, dan protein membran.
Keterbatasan
TEM memerlukan persiapan sampel yang ekstensif yang dapat menyebabkan artefak. Teknik ini beroperasi dalam vakum tinggi dan menggunakan elektron berenergi tinggi yang dapat merusak spesimen yang sensitif terhadap berkas. Interpretasi gambar HRTEM memerlukan simulasi dan keahlian yang canggih. Instrumentasinya mahal dan memerlukan fasilitas khusus serta operator terlatih.
