STM(Scanning Tunneling Microscopy)

정의

STM(Scanning Tunneling Microscopy)은 원자 수준에서 물질 표면을 영상화할 수 있는 장치이다. 1981년 IBM의 게르트 빈니그와 하인리히 로러가 발명했으며, 이들은 1986년 노벨 물리학상을 받았다. STM의 분해능은 0.1 nm 측면 분해능과 0.01 nm의 깊이방향 분해능을 가지고 있다(수소원자의 지름이 0.037 nm). STM은 개별 원자를 이미징하고 조작할 수 있다. STM은 초고진공, 공기, 물, 기타 다양한 액체 0 K 부근의 극저온, 1000 °C 이상의 고온에서도 사용할 수 있다.

 

 

작동원리

STM은 양자 터널 효과(quantum tunneling)의 개념을 기반으로 작동한다. 전도 팁이 측정 대상 표면에 접근할 때, 둘 사이에 가해지는 바이어스(전압 차이)는 전자가 전도팁과 측정대상 표면 사이의 진공 속을 통과하도록 한다. 이 때 발생하는 터널링 전류(전도팁과 표면의 전류)는 팁 위치, 인가 전압 및 샘플 상태(LDOS)에 따라 변화하기 때문에 이를 이용하여 표면의 상태를 영상정보로 변환한다. STM 측정은 표면상태, 팁, 진동제어, 전자장치에 따라 민감한 특성을 보이는 매우 정교한 기술이다.

 

그림. STM의 작동원리(출처 : wikipedia.org)

 

전압 바이어스를 팁과 샘플 표면에 적용하고 팁을 샘플 표면에 매우 가깝게 접근시킨다. 근거리에서, 표본 가까이에 있는 경우, 일반적으로 팁은 샘플 표면에 인력과 척력이 평형을 이루는 위치(보통 4-7 å(0.4-0.7 nm))에 놓이게 되고 팁의 위치는 압전(piezoelectric)소재로 구성된 팁의 본체를 통해 전기 신호로 외부 데이터 수집장치 등에 수신하거나, 외부에서 조절될 수 있다. 이것을 증폭기(amplifier)를 통해 조작자가 인식할 수 있도록 한다. 또한 샘플과 팁사이에 흐르는 전류를 이용하여 셈플 표면상태 등을 인식할 수 있다.

샘플의 표면에서 x-y 평면 방향으로 팁을 이동시키면 표면 높이와 상태 밀도의 변화가 전류 변화가 일어나며 이미지로 매핑하게 된다. 위치에 대한 이러한 전류 변화는 자체적으로 측정가능하며, 일정한 전류에 해당하는 팁의 높이 z또한 측정가능하다.

표면을 측정하는 방식은 팁의 높이를 일정하게 유지한 상태에서 전류변화를 감지하는 방법, 표면과 팁의 전류를 일정하게 유지하는 상태에서 팁의 높이를 측정하는 방법이 있다. 일반적으로 높이를 일정하게 유지하는 것이 전류를 일정하게 유지하는 것보다 측정 속력이 빠른 것으로 알려져 있다.

 

장비와 관련된 요구사항

STM 영상의 분해능은 팁의 곡률 반경에 의해 한다. 최근 STM의 팁으로 탄소 나노튜브가 이런 경우에 이용되기도 하며, 일반적으로 팁은 금이 사용되나, 텅스텐이나 백금 이리듐으로 만들어지는 경우도 많다.

STM은 매우 정교한 장치로 외부의 간섭의 영향을 최소화하기 위해 매우 견고한 본체가 필수적이다.

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STM의 응용

STM은 샘플 표면의 스캐닝 외에도, 샘플의 특정 위치에서 전압 전류를 측정하여 샘플의 특정 위치에 있는 전자 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이것을 측정을 스캐닝 터널링 분광학(STS)이라고 하며, 일반적으로 샘플 표본 내 에너지의 함수로서 상태의 국소 밀도를 그림(이미지)로 표시한다.

 

또한 STM은 팁을 조작하여 샘플의 형상(morphology)을 원자단위에서 변경 가능하다. 또한, 형상 변경 후 계측기의 변동 없이 팁으로 표면의 형태를 이미지화하는 것이 가능하다. IBM의 연구원들은 STM을 이용하여 니켈 표면에 흡착된 제논 원자를 조작하였다.

 

그림. STM을 이용한 표면 원자 조작(출처 : www.sciencedaily.com)

 

가변 온도 STM을 이용하여 단일 결정 표면에서 분자 회전의 온도 의존성을 조사한 연구사례가 존재한다. STM 팁을 사용하여 단일 분자 내의 개별 결합을 회전시킨 사례가 있으며, 분자의 전기 저항은 결합의 방향에 따라 달라지기 때문에 이는 분자 스위치로 활용될 수 있다.

이 외에 STM의 종류로 광학 팁을 사용하여 광자를 터널링하는 광자 스캐닝 현미경(PSTM), 표면에 걸쳐 전위를 측정하는 스캐닝 터널링 전위차 측정(STP), 강자성 팁을 사용하여 스핀-폴라화 전자를 자성 샘플로 터널링하는 회전 편광 스캐닝 현미경(SPSTM), 나노스케일에서 전기적 측정을 수행할 수 있는 스캐닝 터널링 현미경 등도 STM의 원리를 이용한 것이며, 팁과 샘플 사이의 상호작용에 의해 발생하는 힘을 측정하는 원자력 현미경(AFM) 또한 STM의 일종이라 할 수 있다.