1. 실험 제목: Atomic Force Microscope2. 실험 날짜: 2019년 6월 7일3. 실험 목적: SPM(Scanning Probe Microscope)의 종류인 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 시료의 물성을 조사해보고 AFM과 STM을 비교해 본다.4. 실험 원리가. Scanning Probe Microscope (SPM)STMAFM도체, 반도체만 측정 가능도체, 반도체, 부도체 모두 측정 가능대기에서 측정 불가대기에서 측정 가능Tunnel 전류를 이용원자간의 인력 이용SPM이란 원자나 분자 크기의 극 미세 나노 세계에서 일어나는 물질의 구조와 성질을 알고, 이를 제어하고 조작하기 위해 개발되고 발전되어 왔으며 micro 단위의 미세 탐침(probe)를 사용하여 sample의 표면을 측정하는 기기이다. 대표적으로는 STM과 AFM이 있는데, 먼저 STM은 최초로 개발된 주사 탐침 현미경으로 시료와 탐침이 근접할 때 둘 사이에 흐르는 tunnel 전류를 이용하여 시료표면을 형상화하는 방식으로 sample을 측정한다. 그러나 샘플과 탐침 사이에 전기가 통하지 않으면 측정할 수 없고 측정 시 주위 환경에 민감하여 대기중에서는 측정을 하지 못한다는 한계가 있다. 이러한 STM의 단점을 보안한 것이 AFM인데, AFM은 전기가 통하지 않는 부도체뿐만 아니라 도체, 반도체 모두 측정할 수 있으며, 대기 중에서도 시료의 측정이 가능하다. 또한 STM에 비해 천 배 이상의 월등한 분해능을 가진 한 단계 더 발전된 기기이다.나. Atomic Force Microscope (AFM)AFM이란 나노미터 스케일의 고해상도로 원자, 분자 단위로 구성된 재료의 표면을 관찰하며 다양한 기계적 물성을 알 수 있는 원자현미경이다. 탐침 끝의 원자 들과 시료 표면의 원자들간에 작용하는 인력과 척력에 근간하는 기술로, macromolecule과 고분자의 분석도구로써 학술적으로나 과학기술 전 분야에서 널리 사용하고 있다. AFM을 통해 재료 표면의 3D topography 이미지를 얻을 있다.1) 구성• Cantilever: sample의 표면을 스캐닝한다.• Photodiode: 반사되는 beam의 변화량을 감지한다.• Controller: sample이 올려져 있는 scanner의 z 축의 위치를 변화시켜 탐침과 시료 표면간의 간격을 일정하게 유지시키고 scanner의 z축 변위량을 표면이미지로 형상화 한다.• Probe: cantilever에 매달려 있어서 이를 sample에 가깝게 하여 상호작용 시킨다.• Laser: Cantilever에서 센서로 반사될 수 있도록 초점을 맞춘다.• Senser: tip과 sample 사이의 상호작용을 통한 힘을 측정하고 cantilever의 휘어짐을 측정한다.2) 원리Cantilever와 sample 표면 사이의 거리에 의존하여 척력과 인력이 작용하는데, 거리가 가까워질수록 척력이 더 강하게 작용하고 거리가 멀어질수록 인력이 더 강하게 작용한다.탐침을 smaple 표면에 원자 단위까지 가깝게 근접시키면 두 물질의 원자간에 힘이 작용하고 이 힘을 측정하여 sample 표면의 원자의 구조와 형태를 측정한다. 또한 이렇게 원자간의 힘의 사이에는 Lennard –Jones potential이 발생하고 sample과 탐침이 가까워질 때 원자간의 힘이 중복되는 부분에서 파울리의 배타원리에 의한 강한 척력이 작용하는데, 이 힘을 근접 영역의 힘이라 하고 sample의 국소적인 높낮이에 매우 민감하다.3) 작동 방법AFM은 탐침(Probe)를 이용하여 스캔하는 방식으로 탐침과 sample 사이의 물리적 간격이나 상호작용에 따른 인력과 척력에 의해 탐침이 휘어지면서 움직이는데 이 변위를 position sensitive photo diode (PSPD)를 사용하여 측정하며 이때 feedback 전압을 xy 평면에 표시하게 되면 시료 표면의 형상을 얻는다.3) 종류탐침과 sample 사이에 작용하는 인력 또는 척력과 같은 힘의 종류에 따라 따라 접촉모드, 비 접촉 모드, tapping 모드 등으로 분류할 수 있다.a. 접촉 모드(Contact mode)탐침 tip의 원자와 sample의 원자의 거리가 가까워질 때 척력이 인력보다 더 강하게 발생하는 근접영역에서의 상태이다. Tip이 sample의 표면에 닿이면서 측정하며 접촉 모드는 반데르 발스 curve의 repulsive regime에서 작용한다. 탐침과 sample 사이의 거리가 가까우므로 시료 표면의 손상 방지를 위해 cantilever는 부드러운 것을 사용한다. 이때 사용되는 cantilever의 탄성계수를 잘 고려해주어야 하는데 일반적인 고체는 수 N/m 이하의 cantilever를 사용하며 생체 시료나 고분자 같은 고체 이외의 재료들은 단결정 실리콘 재료로 가공되므로 cantilever의 탄성계수가 커서 재료들의 표면에 손상을 줄 수 있다. 따라서 이 경우에는 비접촉 모드를 고려해야 한다.• 장점: 표면의 정확한 형상화가 가능하고 해상도가 높다• 단점: 시료가 손상될 수 있다b. 비 접촉 모드(Non-contact mode)탐침 tip의 원자와 sample의 원자의 거리가 멀어졌을 때 인력이 척력보다 우세하게 작용할 때의 상태로 tip과 sample의 상호작용에 척력을 이용한다. Tip이 sample의 표면과 닿지 않고 sample 주변의 고유 진동수를 측정한다. 또한 비 접촉 모드는 원자들간의 Van der waals radii내에서 작용하며 Hard한 탐침을 이용한다. 스캔의 속도가 빠르나 해상도가 낮다.• 장점: sample의 표면에 가해지는 손상을 최소화시켜 부드러운 시료의 형상화가 용이하다.• 단점: 정확한 이미지의 구현에 한계가 있고 측정 시 전기장과 자기장의 영향을 받을 수 있다.c.Vibrating (Tapping) mode앞에 사용한 접촉 모드와 비접촉 모드에서 발생하는 시료의 손상을 최소화 하기 위한 방법으로, noncontact mode와 비슷하게 작동한다. tip에 일정하게 진동을 주어서 sample 표면에 아주 짧은 시간 동안 접촉하여 표면을 이미지화 한다. 비 접촉모드에서는 sample 표면 위에 얇은 유체 막이 존재할 경우 이를 그대로 형상화 하기 어렵고 모세관 현상에 의한 탐침의 흡착 등에 의해 제어가 어려울 수 있다. 그러나 tapping mode는 이러한 단점을 극복할 수 있으며 주로 손상되기 쉽거나 표면의 높이 차가 큰 sample에 사용한다. 또한 tip이 sample의 표면에 달라붙는 것을 방지할 수 있으며 점도가 높은 sample이나 액체에 용해시켜서 분석해야만 하는 sample에 주로 사용한다.4) Tip의 얇기다음과 같이 tip이 얇으면 얇을수록 sample의 표면을 좀 더 섬세하게 측정할 수 있다.5) AFM 결과6. 참고문헌PAGE * MERGEFORMAT6
