원자힘 현미경(AFM, Atomic Force Microscopy)

개요

원자간의 힘의 작용을 측정하여 시료의 표면을 형상화 하거나(원자크기, 나노구조 단위), 탐침(캔틸레버 , Cantilever)에 힘을 가하여 시료 표면의 원자나 분자 배열을 조작하는 데 사용되는 현미경.

원자힘현미경은 캔릴레버(cantilever)라고 불리우는 작은 막대 (크기 : 100μm x 10μm x 1μm) 끝에 달려 있는 탐침으로 시료 표면에 근접시켜 스캐닝하면서, 표면에 대한 나노, 원자수준의 삼차원 형상, 미세한 물리적 특성을 측정하거나, 원자나 분자 배열을 조작할 때 쓰인다.

캔틸레버는 통상 실리콘(silicon) 또는 질화 실리콘 (Silicon Nitride) 로 이루어져 있으며 그 끝(탐침)의 크기는 수 나노미터 크기이다.

캔틸레버의 탐침이 시료의 표면에 근접될 때, 탐침과 샘플간에 인력 혹은 척력이 발생하고 이는 캔틸레버를 휘게 한다. 캔틸레버가 휠 경우 아래 그림과 같이 캔틸레버에 조사되는 레이저의 방향 등이 미세하게 변하게 되고 이것을 Detector(광 위치 검출기, PSPD, position-sensitive photodiode)가 감지하여 시료 표면의 형상 등을 감지할 수 있는 것이다. 그 외에, 광학 간섭, 정전 용량 센싱 (capacitive sensing) 또는 압전(Piezoelectric) 캔틸레버도 있다.

원자힘 현미경에 의하여 측정되는 힘은 기계적인 접촉힘, 반 데르 발스 힘 (Van der Waals force), 표면 장력 (capllary force), 화학적 본딩 (chemical bonding), 정전기력(electrostatc force), 자기력 (magnetic force), 카시미르 힘 (Casimir force), 용매화 힘 (solvation force) 등등이다. 추가적으로 열적 성질과 같은 물리량도 즉석에서 측정할 수가 있다.

그림. AFM의 원리

 

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역사

AFM 은 1986 년 IBM 사의 과학자들에 의하여 발명되었다. AFM 의 효시인 주사터널현미경( scanning tunneling microscope, STM) 이 IBM 사의 과학자인 Gerd Binning 과 Heinrich Rohrer 가 1980 년초에 개발되었으며 이것으로 1986년에 노벨상을 받았다. 비니히(Binning) 는 또한 1986년 스탠포드 대학의 퀘이트(Quate), 거버(Gerber) 와 함께 세계 최초의 실험적 개발을 시도하여 AFM 을 개발하였다. 세계 최초의 상업적인 AFM 장비는 1989 년 도입되었다.

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원자현미경의 측정모드

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접촉 모드 (Contact mode)

시료가 단단한 경우에 많이 사용되며, AFM의 모드 중 제일 기본이다.

캔틸레버의 팁이 샘플에 완전 닿게 (~수 Ångström)한 후, 탐침이 표면을 긁으면서 지나가게 되고 이때 표면의 높이 변화에 따른 샘플과 탐침 사이의 상호작용력 변화를 앞서 언급한 PSPD로 감지하여 영상화 한다. 이 경우 시료표면과 캔틸레버사이에는 척력(repulsive force)가 지배적이게 되며, 시료 손상을 방지하기 위해 soft tip을 사용하는 경우가 많다. 척력이 작용하는 구간에서는 단위 거리 변화에 따른 힘 변화가 크기 때문에 해상도가 뛰어나다.

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비 접촉 모드 (Non contact mode)

시료와 탐침 사이의 반데르발스 힘은 거리가 어느정도 떨어지게 되면 척력이 인력이 되며, 이것을 이용하여 시료표면을 측정하는 방법이다. 접촉 모드와는 달리 공중에서 켄틸레버의 공진 주파수에 맞는 진동을 주게 되고 샘플 표면의 변화에 따른 켄틸레버 진동의 진폭 변화를 PSPD로 감지하여 영상화 한다.

비접촉 모드에서는 접촉 모드에서 스캔 후에 상당하게 자주 발견되는 팁 또는 샘플의 파손 현상이 없다. 이것은 비접촉 모드의 AFM 이 부드러운 샘플, 예를 들면 생물 또는 유기체박막과 같은 샘플을 측정하는 데에는 접촉 모드보다 유리하다. 또한 비접촉 모드는 접촉모드보다 일반적으로 scan 속도가 빠르다.

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탭핑모드

팁에 일정한 진동을 주어 시료를 손상시키지 않으면서 표면의 단차가 높은 시료나, 손상되기 쉬운 시료 등에서 접촉모드와 같은 해상력을 얻을 수 있다는 장점이 있다.