주사터널링현미경(STM)과 원자힘현미경(AFM)은 재료를 원자 수준으로 분석하고 상을 관찰할 수 있는 최신 장비들입니다. 이 장비들이나 이와 비슷한 능력을 가진 장비들을 주사탐침현미경(SPM)으로 분류합니다. SPM은 표면 형상을 나노미터 이하의 규모까지 확대하여 원자 규모로 그려낼 수 있습니다. 이러한 장비들은 원자배열과 결함이 중요한 표면과학의 범위를 초월하여 재료의 표면요철 분석이 필요한 도량형 분야, 각 원자가 분자의 위치 분야를 조작하거나 새로운 나노 규모의 현상을 조사하는 나노기술 분야 등 과학의 많은 분야에서 중요하게 응용됩니다. STM에서는 보통 텅스텐, 니켈, 백금-이리듐, 금 등의 금속이나 탄소 나노튜브로 만든 매우 뾰족한 팁이 시편의 표면을 조사하는 탐침으로 사용됩니다. 먼저 팁은 시편 표면에서 원자 지름 정도의 거리에 위치시킵니다. 이 정도로 가까우면 탐침 끝에 있는 원자의 전자구름은 시편 표면에 있는 원자의 전자구름과 상호작용을 합니다. 여기서 표면과 팁 사이에 작은 전압이 걸리면 이 간격에서 전자의 터널링이 일어나게 될 것이고, 따라서 작은 전류를 검출할 수 있을 것입니다. 일반적으로 시편 표면의 오염과 산화를 피하기 위해 초고진공 하에서 분석합니다. 발생하는 전류는 팁과 표면의 간격에 매우 민감합니다. 간격이 조금만 변해도 검출되는 전류는 지수적으로 증가합니다. 팁이 한 원자 바로 위에 위치하고 있을 때 전류의 크기를 측정합니다. 팁을 원자에서 원자들 사이의 골짜기로 움직이면서 이 전류값을 같은 수준으로 유지하는 방법을 일정전류방식이라고 합니다. 이 방법에서는 팁 정점의 위치를 조정하여 분석합니다. 팁의 전류를 유지하기 위해 팁을 조정하는데 필요한 작은 움직임이 표면형상을 그리는데 이용됩니다. 팁과 표면 간의 상대적인 거리를 일정하게 유지하면서 전류의 변화를 감시하는 일정높이방식을 이용하여 표면을 그리기도 합니다. 여기서 가장 중요한 것은 원자 규모의 해상도를 유지하기 위해 팁의 지름이 단일 원자 정도가 되어야 한다는 것입니다. 일반적인 금속 팁은 스캔하는 동안 쉽게 닳고 손상을 입어 영상의 질이 떨어집니다. 최근에는 지금이 1에서 수십 나노미터인 탄소나노튜브가 미세한 구조와 강도를 가지므로 STM이나 AFM의 나노팁으로 사용되고 있습니다. STM은 처음에 형상관찰을 목적으로 사용되었으며, 재료의 결합특성이나 물성에 대해 분석하지는 못했습니다. 장비의 기능이 미소 전류의 발생과 검출에 근거하기 때문에 금속이나 반도체와 같이 전기를 통하는 재료의 분석에만 사용할 수 있습니다. 그러나 절연체는 이를 통해 분석할 수 없으므로 AFM 기술을 이용하여 분석합니다. AFM은 시편 표면을 팁을 이용하여 탐색한다는 점에서 STM과 유사합니다. 그러나 AFM에서는 팁이 작은 캔틸레버 끝에 붙어 있습니다. 팁이 시편 표면과 상호작용할 때 팁에 작용하는 힘이 캔틸레버를 휘게 합니다. 상호작용은 짧은 범위의 척력일 수도 있고, 긴 번위의 인력일 수도 있습니다. 전자는 접촉방식 AFM이고, 후자는 비접촉방식 AFM입니다. 캔틸레버의 편향도는 레이저와 광검출기를 이용하여 측정합니다. 평향도를 이용하여 팁에 작용하는 힘을 계산합니다. 스캔하는 동안 힘을 일정한 수준으로 유지하면서 팁의 변위를 감시할 것이고 표면의 지형을 이러한 미소 변위로 결정합니다. STM과 달리 AFM 방법은 팁을 통한 터널링 전류에 근거하지 않으므로 절연체를 포함하며 모든 재료에 응용할 수 있습니다. 최근에는 다양한 화상방식의 AFM 기술을 이용하여 DNA 연구, 재료 내 부식의 실시간 감시, 중합체의 실시간 열처리, 중합코팅기술 등 다양한 분야에서 이용됩니다.
재료
댓글