'원자는 관찰이 불가능하다?' 과연, 현대 기술로도 그럴까요?
현미경의 종류는 크게 광학현미경, 전자현미경, 원자현미경이 있습니다.
광학현미경은 우리가 과학실에서 자주 보던 대물렌즈와 접안렌즈가 있는 현미경입니다.
전자현미경은 광학현미경으로는 보기 힘든 단백질의 단위인 아미노산까지 관찰할 수 있습니다.
원자현미경은 그보다 더 높은 해상도를 가지고 있어서 원자단위까지 볼 수 있는 현미경입니다.
물질의 표면특성을 원자단위까지 측정할 수 있는 것은 주사탐침현미경(SPM)인데요. SPM은 종류가 다양하지만 간단히 소개하고, SPM 종류 중 하나인 원자힘현미경(AFM)을 소개해드리고자 합니다.
SPM ( Scanning Probe Microscope , 주사탐침현미경)은 재료를 나노미터 이하의 규모까지 확장하여 원자적 수준까지 분석하고 관찰할 수 있습니다. 따라서 표면에 원자 배열, 결함, 표면 요철 분석, 각 원자나 분자의 위치를 조작하여 나노기술 분야 등 많은 분야에서 사용되고 있습니다.
scanning probe microscope 원리 는 캔틸레버라고 하는 막대에 달린 나노 크기의 바늘(탐침, 팁)이 시료 표면에 근접할 때 시료와 탐침 사이에 상호작용하는 물리량을 측정하는 장치를 통칭합니다. 광학현미경과 전자현미경은 시료로부터 다소 거리가 있는 곳에서 신호를 검출하는 방식인 반면에, scanning probe microscope 원리 는 탐침과 시료 사이의 원자력, 터널링 전류, 전자기력 등을 검출하는 근접 탐침 기술 원리 입니다.
SPM 종류는 많지만 그 중 STM(Scanning Tunneling Microscope, 주사터널현미경)은 부도체인 시료는 볼 수 없는데 이를 해결한 것이 AFM(Atomic Force Microscope, 원자힘현미경)입니다.
그럼 이제, AFM 원리 를 알아볼까요?
탐침이 시료를 스캔하는 동안 시료 표면의 원자와 탐침 끝의 원자간 상호작용이 일어나서, 탐침을 시료 표면쪽으로 끌어당기는 인력이 작용합니다. 하지만, 탐침이 시료표면에 너무 가까이 근접하게 되면 밀어내는 힘인 척력이 점점 커져서 결국엔 탐침을 시료표면에서 밀어냅니다.
이 척력과 인력이 캔틸레버를 휘게 하여 캔틸레버 위쪽에 조사된 레이저가 각도와 방향 등이 변화를 일으켜 PSPD라고 하는 포토다이오드에 반사되는데, 이 포토다이오드는 탐침 궤도를 따라 반응하여 구부러지는 캔틸레버의 위치를 측정해 시료 표면의 형상이미지(굴곡)를 3D로 그려 내는 것이 AFM 원리 입니다. 캔틸레버의 종류는 광학 간섭, 압전 등 다양하고 캔틸레버는 실리콘이나 질화실리콘으로 만들어집니다. AFM 측정모드는 세가지 인데요. AFM 모드를 설명드리기에 앞서, 앞으로 위의 과정을 'AFM 원리'라고 부르겠습니다.
AFM 모드
접촉모드의 AFM (contact mode)
이 접촉방식에서는 탐침이 시료표면 위를 접촉한 상태로 스캔하게 되므로 상대적으로 지배적인 척력으로 측정됩니다. 캔틸레버의 탐침이 샘플에 완전 닿게 한 후, 탐침이 표면을 긁으면서 지나가게 되고 이때 AFM 원리 에 의해 영상화 됩니다. 시료가 단단한 경우에 많이 사용되며 탐침이 표면에 접촉하게 되므로 탐침과 시료의 손상이 있습니다.
비접촉 모드 AFM (non-contact mode)
비접촉 모드에서는 탐침을 시료 표면 바로 윗부분에서 고유 진동수 부근에서 진동시킵니다. 물질 표면에 가까이 가져가면 인력의 영향으로 이 고유 진동수가 변하게 되는데 이로 인해 발생하는 진폭과 위상의 변화를 측정하게 되는 것입니다.
탐침이 시료 표면에 물리적으로 충돌하는 것을 방지하므로 접촉모드보다 손상되기 쉬운 부드러운 재료(생물 또는 박막)을 측정하는 데 적합한 방법입니다. 따라서, 접촉모드보다 탐침 또는 샘플의 손상이 없으며 접촉모드보다는 스캔 속도가 빠른 편입니다.
탭핑모드 AFM (tapping mode, 두드림 방식)
접촉모드와 비접촉모드의 중간 형태라서 탐침에 일정한 진동을 주어 시료를 손상시키지 않음과 동시에 접촉모드와 같은 해상력을 얻을 수 있습니다.
비접촉방식처럼 시료표면 바로 윗부분에서 시료의 상을 측정하고 캔틸레버가 진동하지만, 작은 폭의 진동으로 측정하는 비접촉모드와는 다르게 큰 진폭으로 진동을 하게 됩니다. 따라서, 신호를 쉽게 감지할 수 있기 때문에 용이한 편이고 AFM 모드 중 가장 선명한 영상화가 가능한 모드이므로 널리 적용됩니다.
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