303: Fisika SMA: “Fotolistrik” oleh Sinar-X – X-ray Photoelectron Spectroscopy untuk Analisis Elemental Permukaan Bahan

Kita sudah belajar tentang fenomena fotolistrik. Ketika cahaya jatuh pada permukaan logam maka elektron dapat lepas dari permukaan logam. Jika energi foton cukup besar maka sebagian energi digunakan untuk melepaskan ikatan elektron dengan logam dan sisanya muncul sebagai energi kinetik elektron.

Ikatan elektron dengan logam tidak terlampau besar. Energi ikat hanya dalam orde beberapa elektron volt. Oleh karena itu energi foton cahaya sudah sanggup melepaskan elektron dari permukaan logam (terutama logam alkali). Energi kinetik maksimum elektron yang lepas memenuhi persamaan

\( EK = hf – \phi \)

dengan

\( h \) adalah konstanta Planck

\( f \) adalah frekuensi cahaya

\( \phi \) adalah energi ikat elektron pada logam. Besaran ini sering disebut fungsi kerja (work function)

Energi ikat \( \phi \) adalah khas untuk masing-masing logam. Memang ada logam yang memiliki energi ikat hampir sama. Besarnya energi ikat adalah dalam orde elektron volt. Sebagai contoh, energi ikat logam natrium adalah 2,28 eV. Dengan cahaya biru pun kita sudah bisa melepas elektron dari permukaan logam natrium.

Yang susah dilepas adalah elektron yang terikat pada atom. Energi ikat tersebut jauh lebih besar daripada energi foton cahaya. Untuk melepaskan elektron dair atom, tidak mungkin kita menggunakan cahaya. Yang bisa kita lakukan adalah menembak dengan sinar-X. Metode EDS yang kita bahas sebelumnya adalah contoh melepas elektron dari atom menggunakan sinar-X atau menggunakan berkas elektron energi tinggi.

Dengan menggunakan sinar-X sebagai pengganti cahaya apakah kita akan mengamati fonemona serupa fotolistrik? Kalau iya, besaran apa yang setara dengan energi ikat dalam logam yang akan kita dapatkan? Apakah besaran tersebut dapat digunakan untuk menentukan jenis atom dalam material? Jawabannya iya. Dan sifat inilah yang digunakan dalam perancangan alat analisis atomik yang canggih juga yang namanya X-ray Photoelectron Spectroscopy.

Prinsip X-ray Photoelectron Spectroscopy

Prinsip kerja X-ray Photoelectron Spectroscopy (kita singkat dengan XPS) adalah menembakkan atom dengan sinar-X sehingga elektron pada orbit keluar meninggalkan atom. Fenomena sama dengan fotolistrik dengan menembakkan elektron dalam logam sehingga elektron lepas dari logam. Foton sinar-X yang diserap oleh elektron digunakan untuk:

1. Melepaskan diri dari ikatan dengan atom, \( E_i \)
2. Melepaskan diri dari material yang sama dengan fungsi kerja, \( \phi \)
3. Sisanya muncul sebagai energi kinetik.

Jadi, kita memiliki hubungan \( EK = h f – \phi – E_i \). Dengan demikian, energi ikat elektron pada atom memenuhi persamaan

\( E_i = hf – EK – \phi \quad \quad \quad \quad \quad \quad (303.1) \)

Inilah persamaan dasar yang digunakan dalam pembauatn mesin XPS. Gambar 303.1 adalah ilustrasi proses pengukuran dengan XPS.

Prinsip kerja XPS sebagai berikut:

1. Ketika material ditembakkan dengan sinar-X maka elektron pada berbagai energi akan dipancarkan dari sampel.
2. Pada alat ada bagian yang menyeleksi laju elektron.
3. Jumlah elektron pada tiap laju yang diseleksi diukur.
4. Dari laju kita menghitung energi kinetik elektron
5. Kita akan dapatkan nilai energi kinetik dengan jumlah elektron terbanyak (sejumlah puncak)
6. Dari energi kinetik pada puncak kurva tersebut, kita hitung energi ikat elektron menggunakan persamaan (303.1)
7. Di dalam komputer sudah tersimpan data energi ikat semua atom. Energi ikat tersebut khas untuk masing-masing atom.
8. Dengan membandingkan energi ikat yang dihitung dengan data energi ikat dalam komputer maka kita dapat mengehatui jenis atom pada permukaan sampel.

Gambar 303.2 adalah ilustrasi atom tembaga yang diukur dengan XPS. Elektron yang mengitari inti deitembak dengan sinar-X. Elektron-lektron tersebut akan lepas. Karena energi ikat elektron berbeda, maka energi kinetik elektron yang lepas akan berbeda-beda. Dari energi kinetik tersebut kita dapat menghitung sejumlah energi ikat.

Gambar 303.3 adalah contoh spektrum XPS dari silikon yang memiliki permukaan kotor. Tampak sejumlah puncak yang menandakan energi ikat atom-atom yang ada di permukan silikon. Muncul puncak flor (F), oksigen (O), timah putih (Sn), nitrogen (N), karbon (C), dan dilikon (S). Jadi di permukaan silikon kotor tersebut dijumpai atom-atom yang bersangkutan

Gambar 303.4 adalah spektrum XPS emas murni. Keadaan yang disimbolkan dengan 4f_5/2 dan 4f_7/2 memiliki energi ikat masing-masing 84,3 eV dan 88,0 eV. Pada spektrum XPS tampak dpuncak yang diasosiasikan dengan dua keadan tersebut

Apa Beda XPS dan EDS?

Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy menggunakan sinar-X untuk menembakkan atom dan melepas elektron dari ikatannya. X-ray Photoelectron Spectroscopy juga menggunakan sinar-X untuk melepaskan elektron dari atom. Lalu pada beda dua metode tersebut? Mari kita bahas

Pada Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy:

1. Kita menggunakan sinar-X energi tinggi atau berkas elektron. Panjang gelombang sinar-X tidak penting diukur, tetapi harus memiliki energi yang lebih besar daripada energi ikat elektron pada orbital dalam atom.
2. Yang kita ukur adalah panjang gelombang sinar-X yang dipancarkan ketika elektron transisi dari orbit luar ke orbit dalam dari atom. Jadi, detektor yang digunakan adalah detektor sinar-X.
3. Detektor mendeteksi intensitas sinar-X pada berbagai panjang gelombang untuk mengetahui pada panjang gelombang mana terjadi puncak.

Pada X-ray Photoelectron Spectroscopy

1. Kita menggunakan sumber sinar-X saja, bukan berkas elektron. Panjang gelombang sinar-X harus diketahui dengan teliti.
2. Yang diukur adalah energi kinetik elektron yang dilepas oleh foton sinar-X tersebut. Jadi detektor yang digunakan adalah detektor elektron.
3. Sebelum detektor mendeteksi energi elektron, maka laju elektron harus diseleksi. Jadi yang diukur adalah pada energi tertentu, berapa elektron yang diproduksi.
4. Kemudian ada program dalam komputer yang melakukan proses perhitungan sehingga diketahui bahwa energi elektron yang menunjukkan jumlah terbanyak bersesuaian dengan energi ikat berapa.
5. Dari hasil analisis tersebut maka dapat diketahui atom-atom penyusun material

Gambar fitur adalah contoh masin XPS yang digunakan dalam laboratoriun riset (sumber gambar: EagLE)