원자력간현미경(原子間力顕微鏡, Atomic Force Microscope : AFM) 
원자력간현미경(AFM)은 주사선 프로브 현미경(Scanning Prpbe Microscope: SPM)의 일종입니다.
중앙의 받침대에 시료를 놓고, 그 위에 그려져 있는 것이 cantilever 입니다. 받침대를 X-Y축방향으로 이동하면서 Cantilever에 레이저를 쏘여서 반사광의 변하에 대하여 좌측의 Feedback 용 회로를 이용하여 받침대를 Z축 방향으로 상하 이동시킵니다.
X-Y-Z의 방향의 움직임이 관찰상이 되는 것입니다.
목차:
1. 특징
2. 측정원리
2.1 Contact Mode
2.2 Non-contact Mode
2.3 Taping Mode
2.4 Force Mode
3. 역사
4. 응용분야
5. 과제
6. 관련 정보
1. 특징
주사형터널현미경(STM)과는 달리 도전체뿐만 아니라 절연성의 물질도 측정이 가능.
또한 STM과 주사형전자현미경(SEM)처럼 진공을 만들 필요가 없으며, 대기중에서 측정이 가능합니다. 이 때문에 장치가 작고 가격이 저렴합니다(2억~3억원 정도).
액체내와 고온, 저온 등의 다양한 환경에서 측정이 가능합니다.
SEM용 시료처럼 도전성 코팅등의 시료의 전처리가 불필요하며, 생체시료등과 같은 자연에
가까운 상태에서도 측정이 가능합니다. 다른 주사형 Probe현미경과 동일하게 공간 분해 능력은 탐침의 선단반경(nm:나노 미터 정도)에 의존한, 원자분해능력이 실현되어 있습니다.
2. 측정원리
선단의 Cantilever(탐침)을 이용하여 시료표면을 촬영, 또는 시료표면과 일정한 간격을 가지고 세밀하게 더듬어 그때 Cantilever의 상하 방향에서의 변위를 측정하는 것으로서 시료표면의 형상을 평가하게 됩니다. AFM에는 몇 개의 측정방법이 있는데 대표적으로는 다음과 같습니다.
2.1 접촉모드(Contact Mode)
탐침선단의 평행판부에 닿은 레이저의 반사광을 4또는 2분할의 포토 다이오드의 중심에서 측정합니다. 탐침이 시료표면에 가깝게 되면 탐침과 시료표면원자의 원자력간에 의한 Cantilever(탐침)가 시료표면에 끌어 당겨져 변형되어 접촉(Contact)됩니다. 이 변형 때문에 반사광의 각도가 변해 포토다이오드의 상하 영역의 광기전력의 차가 발생하게 됩니다.
이 기전력의 차가 없어지도록(탐침의 변위를 일정하게 함으로) 탐침 또는 시료를 상하로
하면서 시료를 더듬듯이 스캔 합니다(영위법). 이때의 제어신호가 시료의 표면상태(요철의 모양)로서 관찰 됩니다. 탐침 및 시료의 위치변경은 압전효과에 의한 변형을 이용하여 제어됩니다. (관찰 하는 영역의 크기는 수 nm~수십 um정도이며, 이 스케일로 이동을 정밀하게 제어할 필요가 있기 때문입니다.) 측정이 용이하지만 접촉시에 표면에 작용하는 힘이 크기 때문에 부드러운 시료를 손상시키는 경우도 발생합니다.
2.2 비접촉모드(Non-contact Mode)
압전소자에 의한 탐침를 상하로 진동시키면서 시료표면의 매우 가까운(수십 nm 정도)까지 근접시켜, 양자 간에 작용하는 원자상호작용에 의한 힘을 검출하고, 일정의 힘(=거리)를 유지하며 스캔 합니다. 타침과 시료간의 거리를 대하여 진동의 진폭, 위상, 주파수를 변화시켜 이것들이 일정하게 되도록 탐침 또는 시료를 상하로 움직이면서 측정을 합니다.
탐침을 접촉시키지 않고 측정을 하기 때문에 시료를 손상시키는 걱정을 하지 않아도 됩니다. 또한 광(光)레버방식보다도 단순하여 진공에서의 측정에도 적당하고 young's modulus가 높은(=단단하다) probe를 이용하므로 매운 높은 공간분해능을 실현할 수 있습니다. 2000년에 Giessibl의 방식을 이용하여 최초로 AFM에 의한 sub원자 레벨의 Si(111)표면의
(7x7)구조의 관찰에 성공하였습니다.(이 부분은 좀더 자료를 찾아서 무슨 말인지 정리해 보도록 하겠습니다.^^)
2.3 Tapping Mode(가겹게 두드려서 검사한다...우리말로 해석하면)
Intermittent contact mode 또는 DFM(dynamic force microscope)라고도 말합니다.
Tapping mode는 미국 Veeco사의 등록 상표입니다. 비접촉모드와 같이 진동시킨 탐침이 시료 표면을 밟는 것처럼 상하로 진동시켜, 표면상태를 측정합니다. 생체시료, 표면의 물질이 약하고 흡수되는 경우와 같이 깨지기 쉬운 시료에 대해서 사용합니다. 분해능도 매우 높고 정밀한 측정이 필요할 때 통상 사용되는 방법입니다. 액체내 에서도 사용이 가능합니다.
일반적으로 액체와 진공상태에서의 Tapping mode에서 사용되는 probe의 재질은 다릅니다.
2.4 Force Mode(굳이 번역 안하겠습니다.)
probe를 시료에 접촉시켜 그 때 발생하는 탐침의 휨을 모니터링하여 탐침에 걸리는 부하의 힘을 측정합니다. 세포의 점탄성력의 측정등에 이용됩니다. 또한, 생체 분자 등을 끌어 당김으로서 발생하는 힘의 변화에서 분자내구조등의 해석과 시료에 probe선단에 구멍을 뚫어 강성등을 검사하는 것도 가능합니다. 이 모드에서는 일반적으로 표면 상태등의 분포는 측정할 수 없습니다.
3. 역사
주사형터널현미경(STM)을 1981년에 개발한 공적으로 노벨물리학상(1986년)을 수상한 IBM의 쥬리히 연구소의 Gerd Binnig은 터널효과가 발생하는 매우 가까운 거리에서는 탐침과 시료간에 유의미한 힘이 작용하는 것을 발견하였습니다. 이 힘을 이용하는 것으로부터 STM에서는 불가능한 절연체의 측정을 실현할 수 있을 것이라 생각한 Binnig는 같은 연구소에서 1985년에 AFM을 개발하였습니다.
최초의 ARM은 금으로 된 호일을 싼 다이아몬드제질의 탐침의 배면에 STM의 탐침을 위치시키고, 그 터널 전류에 의해 탐침의 변위를 측정할 수 있는 매우 고가의 복잡한 제품이었습니다. 그 후 탐침으로서 Si 등이 이용될 수 있도록 되어 광레버 방식에서 변위를 검출할 수 있게 되었고 AFM 시스템은 가격이 저렴하게 되었습니다.
또한 원래는 원자력간을 이용하여 표면상을 얻을 수 있을 뿐이었지만, 현재는 자성과 도전성을 가진 탐침을 이용함으로 표면형상과 동시에 자기상을 관찰 할 수 있는 MFM(자기력현미경0과 전기력을 관찰 할 수 있는 EFM(전기력 현미경)등과 같은 장치도 있습니다. 최근에는 AFM과 형광현미경, 공집점 레이저 현미경(Confocal Lasser Scanning Microscope), 전반사(Total Internal Reflection : TIRF)형광현미경, Raman 분광법등을 조합하여 다양한 AFM을 사용하고 있습니다.
4. 문제
AFM을 포함한 Probe 현미경에 있어서의 문제는 해상도 및 출력되는 구조 데이터가 probe의 크기와 형태에 좌우 된다는 점이며, 측정자는 이 사실과 그 메커니즘을 이해하고 있지 않으면 안됩니다. 이 문제는 대상이 다른 시료가 probe의 선단경에 가까운 생체분자와 미립자등의 측정 시에는 특히 쟁점이 됩니다. 이런 경우 측정 data는 실제의 시료보다 크게 출력됩니다. 이 문제를 경감하기위해 지금 까지는 카본 나노튜브를 probe 선단에 붙이는 증의 개선이 진행되었습니다. 이외에도 AFM 측정에서 해결해야할 문제는 측정(관찰)시간의 단점이 있습니다. 광학 현미경과 전자현미경에서는 관찰할 수 없는 액체내에 침투한 생물시료를 나노미터 오더로서 높은 분해능으로 관찰할 수 있는 장치로 기대되었지만, 최근의 AFM에서는 기존의 AFM에서 수분에서 수십분/면 걸리던 생체재료의 관찰을 0.1초/면 로 실현하였다는 연구보고가 있습니다. 분자생물 연구 분야에서는 형광염색을 하지 않고 면형상화할 수 있다는 점이 빠른 측정속도와 높은 분해력과 더불어 고평가 되고 있습니다. 한편, 대기중, 진공중의 측정에서는 빠른 장치로 10초/면 정도까지 측정시간이 단축되어 있지만 더욱 개선을 필요로 하고 있습니다. 측정시간을 빠르게 하는 주요한 요인은 시료 스테이지의 이동속도인데 정확한 이동량의 확보와 고속화가 수반되어야 합니다.
참조1. 주사형 터널 현미경(Scanning Tunneling Microsocpe : STM)
:주사형터널 현미경이란 1982년 G. Binnig 와 H. Rohrer 에 의해 개발된 실험장치 입니다. 매우 가늘고 뾰족한 탐침을 도전성을 가진 물체의 표면 또는 표면상의 흡착분자에 가깝에 붙여, 흐르는 터널 전류에서 표면의 원자레벨의 전자상태, 구조 등을 관측하는 것입니다. 터널전류를 이용한 것에서 그 명칭이 붙여졌습니다. 주사형 probe 현미경라고도 합니다.
장치완성초기에는 그 성능과 원자레벨의 관측효과에 회의적인 의견도 있었지만 1983년에 그때까지 구조의 명확한 규명이 되지 않고 있던 30년 가까이 논쟁의 대상이었던 실리콘 Si(111)표면의 7x7 재구성구조, DAS 터널을 결정하는 중요한 단서를 STM의 관측결과가 제공한 것으로부터 그 성능과 신뢰성이 높이 인식되게 되었습니다.
표면의 주사는 전압소자를 사용 하였습니다. STM의 탐침은 표면에서 흘러나오는 파동함수를 감지하는데, 탐침-표면간의 거리에 대해 지수 함수적으로 작용합니다. 따라서, 원자 한 개에서 수 십개의 거리에서도 터널전류의 양은 크게 변화합니다.(0.1nm = 1Å의 차로서 터널전류의 값이 10배정도 변해서 얻어집니다)
그렇기 때문에 탐침의 최선단의 원자 1개가 표면의 원자상태(파동함수의 흘러나옴)를 가장 잘 감지할 수 있게 되고 이 원자 레벨의 관측을 가능하게 하고 있는 것입니다. 또한 관찰되는 것은 흘러나오는 파동함수에 의한 터널 전류이며, 표면의 원자 레벨의 요철을 직접 보는 역할은 아닙니다. 관측방법은 탐침과 표면의 거리를 일정하게 유지하는 것과,
터널전류를 일정하게 보존 하는 것에 큰 구분이 있습니다. 조건에 따라 대기 중과 액체 중에서도 관측도 가능합니다. STM의 터널전류가 표면상에서 에너지를 유기하는 비탄성 전류도 존재하고, 표면에 흡착된 분자의 진동 등을 여기 하거나, 분자의 결합을 자르는 것도 가능하다는 점이 알려져 있습니다.
참고2: 광레버방식(틀릴 수도 있는데 적당한 영어가 없어서 한글로 표현함)
: 탐침의 선단에 레이저등의 광원을 조사시켜, 레이저의 변위를 확대하는 방법입니다.
가장 많이 이용되고 있는 것은 반도체 레이저이며, 파장 655nm 와 633nm 대 입니다.
짧은 노이즈등을 경감 시키기 위해 레이저의 출력은 대략 1mW정도까지 올려서 사용합니다. 또한 반도체 레이저를 이용하는 경우 타원편향의 수정과 집광목적으로 집광렌즈를 이용합니다. 또한 변위검출에는 4분할 포토 다이오드와 2분할 포토다이오드를 이용합니다. 4분할 포토다이오드를 이용할 때는 AFM신호는 FFM 신호를 사용할 수 있기 때문에 표면상태와 마찰력의 측정을 할 수 있습니다. 그러나 2분할 포토다이오드에서는 표면상태만 가능합니다. 문제점으로 지적된 레이저의 산란광이 시료표면에 petting 현상을 일으킨다고들 합니다. 이 광방식이 많은 원자력간현미경 제조사에 의해 이용되어 오고 있으며 일반적인 고감도 측정 방법입니다.
출처: 일본 Wekipedia
번역 : Nurian
ps. 원자현미경에 대한 구조 및 추가 설명은 다시 올리도록 하겠습니다.
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SrTiO3 (100) 스텝 기판의 AFM 이미지
