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AFM의 작동원리 및 작동법

AFM(Atomic Force Microscope):가장 보편적인 원자현미경1. 원 리STM의 가장 큰 결점은 전기적으로 부도체인 시료는 볼 수 없다는 것인데, 이를 해결하여 원자현미경을 한층 유용하게 만든 것이 AFM이다. AFM에서는 텅스텐으로 만든 바늘 대신에 마이크로머시닝으로 제조된 캔틸레버(Cantilever)라고 불리는 작은 막대를 쓴다. 캔틸레버는 길이가 100μm, 폭 10μm, 두께 1μm로서 아주 작아 미세한 힘에 의해서도 아래위로 쉽게 휘어지도록 만들어졌다. 또한 캔틸레버 끝 부분에는 뾰족한 바늘이 달려 있으며, 이 바늘의 끝은 STM의 탐침처럼 원자 몇 개 정도의 크기로 매우 첨예하다. 이 탐침을 시료 표면에 접근시키면 탐침 끝의 원자와 시료표면의 원자 사이에 서로의 간격에 따라 끌어당기거나(인력) 밀치는 힘(척력)이 작용한다.앞의 그림처럼 캔틸레버라고 불리는 작은 막대 끝부분에 달려있는 탐침과 시료 표면의 원자 사이의 힘에 의해 캔틸레버가 아래 위로 휘게 되는데, 이때 레이저 광선이 캔탈레버 윗면에서 반사되는 각도를 포토다이오드로 측정함으로써 표면의 굴곡을 알아낸다.Contact mode의 AFM에서는 척력을 사용하는데 그 힘의 크기는 1∼10nN 정도로 아주 미세하지만 캔틸레버 역시 아주 민감하므로 그 힘에 의해 휘어지게 된다. 이 캔틸레버가 아래위로 휘는 것을 측정하기 위하여 레이저 광선을 캔틸레버에 비추고 캔틸레버 윗면에서 반사된 광선의 각도를 포토다이오드(Photodiode)를 사용하여 측정한다. 이렇게 하면 바늘 끝이 0.01nm 정도로 미세하게 움직이는 것까지 측정해낼 수 있다. 바늘 끝의 움직임을 구동기에 역되먹임(feedback)하여 AFM의 캔틸레버가 일정하게 휘도록 유지시키면 탐침 끝과 시료 사이의 간격도 일정해지므로 STM의 경우에서와 같이 시료의 형상을 측정해낼 수 있다. Non-contact mode의 AFM에서는 원자 사이의 인력을 사용하는데 그 힘의 크기는 0.1∼0.01nN 정도로 시료에 인가하는 힘이 contact mode에 비해 훨씬 작아 손상되기 쉬운 부드러운 시료를 측정하는데 적합하다. 원자간 인력의 크기가 너무 작아 캔틸레버가 휘는 각도를 직접 잴 수가 없기 때문에 non-contact mode에서는 캔틸레버를 고유진동수 부근에서 기계적으로 진동 시킨다. 시료표면에 다가가면 원자간의 인력에 의해 고유진동수가 변하게 되어 진폭과 위상에 변화가 생기고 그 변화를 lock-in amp로 측정한다. 원자간에 상호 작용하는 힘은 시료의 전기적 성질에 관계없이 항상 존재하므로 도체나 부도체 모두를 높은 분해능으로 관찰 할 수 있다.2. 측정방법포인트명 칭역 할(Z)Z 방향 거세 이송 장치(Coarse Z motion translator)Z 방향 이송 장치는 원자현미경의 헤드를 시료로 가까이 움직여서 힘 센서가 프로브와 시료사이의 힘을 측정할 수 있게 합니다. 일반적으로 이송 장치는 약 10 mm 를 움직입니다.(T)X-Y 방향 거세 이송장치 (Coarse X-Y translation stage)X-Y 이송 장치는 프로브의 아래로 원자현미경에 의하여 이미지화될 시료의 관심있는 위치로 시료를 이동하는데 사용됩니다.(X-P,Y-P)X,Y 압전 트랜스듀서(X, Y piezoelectric transducer)X, Y 압전 트랜그듀서는 원자현미경이 이미지를 얻을 때 시료에 대하여 프로브를 주사시키는데 사용됩니다.(FS)힘 센서(Force Sensor)캔티레버의 휨을 모니터링하여 프로브와 시료사이의 힘을 측정합니다.(Z-P)Z 압전세라믹(Z piezoelectric Ceramic)프로브가 X, Y 압전 트랜스듀서에 의하여 시료를 주사할 때 힘 센서를 시료에 수직 방향으로 이동합니다.(FCU)피드백 제어 장치(Feedback control unit)피드백 제어 장치는 라이트 레버로 부터 신호를 받아들여 Z 압전세라믹(Z piezoelectric ceramic)을 움직이는 전압을 출력합니다. 이 전압은 주사하는 동안에 캔티레버의 휨을 일정하게 유지하는데 요구되는 전압입니다.(SG)X-Y 신호 발생기(X-Y signal generator)X-Y 평면에서 프로브의 움직임은 X-Y 신호발생기에 의하여 제어됩니다. 주사는 이미지가 측정될 때 사용됩니다.(CPU)컴퓨터(Computer)컴퓨터는 스캔의 크기, 스캔 속도, 피드백 제어 응답 및 마이크로스코프로 획득한 이미지를 보기를 위한 스캔닝 파라미터를 설정하는데 사용됩니다.(F)프레임(Frame)단단한 프레임이 원자현미경 전체를 지지합니다. 이 프레임은 팁과 시료 표면사이의 진동이 없게 하기 위하여 매우 단단하게 설계됩니다.3. 장비 이용방법원자현미경으로 이미지의 측정시a) 마이크로스코프에 프로브를 장착하고 라이트 레버 센싱 시스템을 정렬합니다. 즉,캔티레버에 레이저를 정렬하고 PSD를 움직여 원하는 위치로 캔티레버에서 반사되어 입사되는 레이저광을 움직입니다.b) X-Y 샘플 스테이지와 광학 현미경을 사용하여 시료를 움직여서 관심있는 위치가 AFM 프로브의 바로 아래에 오게 합니다.c) 프로브를 시료 표면으로 이동하기 위하여 Z 방향 이송 장치를 Engaging시킵니다.d) 프로브로 시료 표면을 스캔하기 시작하면서 컴퓨터 스크린으로 표면의 이미지를 봅니다.e) 컴퓨터 디스크에 이미지를 저장합니다.4. 주의사항기존의 마이크로스코프는 한가지의 해상도,즉 평면에 대한 해상도만 있습니다. 반면, 원자현미경은 두가지 해상도,즉 평면에 대한 것과 시료 표면에 대하여 수직 방향의 것입니다.평면 해상도(Plane Resolution): 이 평면 해상도는 스캔닝에 사용되는 프로브의 형상에 크게 좌우됩니다. 일반적으로, 프로브가 뾰족할수록 AFM 이미지의 해상도는 더 높아 집니다. 아래 그림에서 두개의 구를 뾰족한 프로브와 무딘 프로브를 사용하여 측정했을 때의 이상적인 스캔된 선들을 볼 수 있습니다.

공학/기술| 2009.06.08| 4페이지| 1,000원| 조회(1,441)

인력, 포토다이오드, 캔틸레버, 척력

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