원자현미경 건양대학교 나노신소재학과 최 은 정

SPM 이란? SPM : Scanning Probe Microscope 주사탐침 현미경 물질의 표면을 원자단위까지 측정할 수 있는 현미경 광학 수 천 배, 전자 수 십 만 배,SPM 수 천 만 배 원자의 수직정보(3차원 영상) 및 Fluid 상태에서도 관찰 가능한 Nano-Technology의 보편적 장비 또한 현미경의 역할만이 아닌 원자 및 분자의 특성 관찰, 유전자 조작, Nanoindent, Heating system, SCM, NSOM 등의 개발로 미세분야로서의 물리적 접근이 용이 현재, Nano-Technology는 과학전쟁의 최첨단 경쟁력 있는 도구로서 SPM을 그 기초로 함. 종류: STM, AFM, MFM, FMM, EEM, ECPM

SPM 의 역사 • Scanning Tunneling MicroScope (STM) 1982년 스위스 IBM 연구원인 Binning, Roher, Gerber, Weibel에 의해 개발 1986년 Binning, Roher 노벨 물리학상 수상 • Atomic Force MicroScope(AFM) 1986년 IBM의 Binning, Gerber 개발

SPM의 필요 배경 Nanotechnology를 위해서는 원자 크기(0.1 nm)의 극소 물질의 관찰, 조작 및 성질의 이해가 필요 그러나 기존의 광학 및 전자현미경으로는 불가능 수 천만 배의 배율(0.01 nm 관측) 및 3차원 입체적 관찰 필요

SPM STM : Scanning Tunnel Microscope 최초로 개발된 SPM. AFM : Atomic Force Microscpe 잘 휘어지는 지렛대(cantilever) 끝에 달려있는 달려있는 탐침과 시료표면 사이에는 원자력(인력 및 척력)이 작용한다. 이러한 상호작용 때문에 지렛대(cantilever)는 휘게 되는데, 그 휘는 정도는 레이저 광의 굴절을 통해서 알 수 있고 이로부터 표면정보를 얻을 수 있다.

SPM의 원리

STM의 원리 탐침(Tip) : 텅스텐이나 백금선을 부식시켜 그 끝에 원자 몇 개만 있게 만든 침 이 전압으로 Tip과 시료 사이에 Tunneling 전류 발생 Tip과 전류사이의 관계: I∼Ve-cd Tip과 샘플 표면 간의 Tunneling 전류가 초기에 설정한 전류값이 유지되도록 Tip이 움직이고 이 수직,수평위치가 컴퓨터에 의해 삼차원 영상을 표현 **** 이 기술은 도체나 반도체에만 국한됨 따라서 절연체에 대하여도 적용될 수 있는 AFM(Atomic Force MicroScope :원자 힘 현미경)이 개발되어 고분자, 생명공학 및 광학등 거의 모든 분야에서 사용할 수 있됨

STM의 구조

STM의 원리

STM의 원리

AFM

AFM

AFM의 구조도

AFM의 구조도

실리콘 (111) 표면을 STM으로 찍은 사진

Anodized Aluminum Surface (0.5×0.5 um) AFM 사진 Anodized Aluminum Surface (0.5×0.5 um)

Porous Polymer Sphere (6×6um) AFM 사진 Porous Polymer Sphere (6×6um)

AFM 사진 Ni on Si (1.3×1.3 um)

원자 사이의 힘과 거리

AFM STM에서 사용되는 텅스텐 또는 백금으로 된 탐침 대신 나노 기술로 제조된 프로브를 사용 프로브: 아주 미세한 힘(나노 뉴턴)에서도 쉽게 휘어지는 판형 스프링(cantilever)에 원자 몇 개 정도의 크기로 끝이 가공된 탐침(tip)으로 구성 Tip 끝이 샘플 표면에 근접되면 끌어당기는 또는 밀어내는 여러 가지 힘(힘의 특성은 아래의 표 참고)이 샘플표면의 원자와 탐침 끝의 원자 사이에 작용 이 힘에 의해 cantilever의 휨이 발생하고 이 힘이 일정하게 유지되도록 하면서 샘플의 삼차원 영상을 수집

캔틸레버(Cantilever) 캔틸레버와 탐침 (전자현미경 사진) 시료표면의 힘에 의해 휘어지며, AFM의 분해능을 좌우 Photolithography기술을 이용, silicon이나 silicon nitride로 제작 실리콘 웨이퍼 한 장 당 1000개 이상의 탐침과 캔틸레버를 만들 수 있다 V자 캔틸레버가 수직방향의 변화에 대해서 물리적 저항을 적게 받으므로 가장 널리 이용 캔틸레버의 크기는 길이 100-200 um, 넓이 40 um, 두께0.3-2 um

AFM

AFM 팁과 샘플간에 작용하는 힘 팁과 샘플거리 힘의 방향 비 고 Fluid Film Damping 약 10 미크론 Tapping Mode 효과 Tapping Mode에서만 감지 Electrostatic Forces 0.1 – 1.0 미크론 인력/반발력 'EFM'으로 정전기력을 직접 측정 Fluid Surface Tension Forces 10 -200 nm 인력 Tapping Mode 채용. 특히 Fluid 방식으로 극복 Van Der Waals Forces Angstrom non-contact팁 샘플 간의상호작용을 monitor Coulombic Forces 약 0.1 Angstrom 반발력 Contact 상태

액체 표면 위에서의 contact & non-contact mode

AFM Contact Mode의 원리 샘플 표면에 대해 캔티레버 끝에 부착된 팁을 주사 분리된 포토다이오드 검출기로 캔티레버가 편향되는 변화 정도를 모니터링 cantilever가 시료 표면에 대해 일정한 편향(Coulomb Force) 유지 힘 F는 후크의 법칙으로부터 F=-kx 수직이동 거리가 컴퓨터에 저장된 후 샘플 표면을 3차원 영상화 *** 연질의 시료에서는 샘플표면에 흠을 주기 때문에 연질의 시료에는 nonContact, TappingMode가 개발되어 매우 유용하게 활용

AFM

AFM 2) Non-Contact Mode의 원리 Van der Waals Forces의 인력을 이용 따라서 cantilever로부터 AC 신호를 얻어 측정 하기 위해 수 나노 미터의 진폭으로 캔티레버의 공진 주파수 근처에서 캔티레버를 진동시킴 팁이 샘플표면에 주사되는 동안 비접촉 상태에서 진동 샘플표면의 높이 변화에 따른 캔티레버의 진폭 또는 주파수가 변화 이 변화를 초기에 설정한 진폭 또는 주파수가 일정 하게 유지시키면서 컴퓨터로 샘플표면을 3차원 영상화 *** 비접촉으로 샘플표면에 흠을 주지 않으나 샘플과 팁의 간격이 너무 멀어서 선명한 이미지를 얻기 어렵다. 이를 극복하기 위하여 비접촉식 모드(non-contact mode)의 장점과 접촉식 모드(contact mode)의 장점을 고루 갖춘 탭핑 모드(Tapping Mode)가 개발된 이후로는 거의 사용되지 않는 Mode 이다.

AFM

AFM 3) Tapping Mode의 원리 Cantilever를 20 - 100nm의 진폭으로 진동시키면서 tip을 샘플표면에 주사 이때 팁은 가볍게 샘플표면을 두드리는데 진동의 아래 부분에서 팁은 샘플표면에 Contact Mode와 같이 접촉됨 샘플의 높이 변화에 따라 진동 진폭이 변하게 되고 이 변화는 팁 반대편에 조사된 레이져 빔이 반사될 때에 변화를 초래 이 레이저 빔의 변화를 포토 다이오드 검출기에 의해 검출 검출된 빔의 진폭이 초기에 설정한 RMS(root mean square)값을 유지 컴퓨터로 샘플표면을 3차원 영상화 *** 연질의 시료에 흠을 주지않고 동시에 수직 해상도를 최고로 할 수 있는 AFM모드 중 가장 선명한 영상화가 가능한 모드

AFM

AFM

LFM(Lateral Force Microscope) 표면의 마찰력을 재는 원자현미경 Contact mode의 AFM에서 탐침이 시료 표면을 좌우로 주사할 때 캔틸레버는 표면의 높낮이에 따라 아래위로 휠 뿐만 아니라 탐침과 시료 표면 사이의 수평 마찰력에 의해 옆으로 비틀리게 된다 이 비틀리는 정도는 캔틸레버에서 반사되어 나오는 레이저 광선의 수평성분 각도에 비례하므로 쉽게 측정될 수 있다 캔틸레버의 마찰력에 의한 힘의 변화는 표면 마찰력과 기울기의 변화에 기인 이러한 방법으로 시료표면의 마찰력을 측정하는 장치가 LFM 이다.[7] LFM은 AFM의 경우와 마찬가지로 이러한 캔틸레버의 힘의 변화를 측정하기 위하여 포토다이오드를 이용한다. LFM에 있어 다른 점은 포토다이오드가 마찰력에 따른 캔틸레버의 비틀림을 측정하는 것 두 물질의 성분에 따라 마찰력이 다르므로 LFM을 사용하면 시료를 구성하는 여러 종류의 물질 분포 및 각 물질의 상대적 마찰력의 크기를 알 수 있다 같은 물질인 경우에도 어떤 표면 처리가 마찰력을 크게, 혹은 작게 할 수 있는가를 알 수 있으므로 마찰, 마모 등을 연구하는데 LFM이 유용하게 쓰여진다.

LFM(Lateral Force Microscope): 표면 마찰력 관측용 원자현미경 유리가 코팅된 나일론 화학용기 표면(AFM, LFM) (5 x 5 mm) 밝은 부분 : 유리가 입혀진 부분, 마찰력이 작다. 어두운 부분 : 잘 입혀지지 않은 부분, 마찰력이 크다

FMM (Force Modulation Microscope) 시료의 경도(硬度)를 재는 원자현미경 시료의 물리적 성질에 따라 캔틸레버 진폭이 변화. 탄소 광섬유가 폴리머 접착제 사이에 들어있는 단면 AFM 사진(표면 모양) FMM 사진(단단한 정도) 광섬유가 폴리머 접착제보다 단단한 것을 볼 수 있다.

PDM(Phase Detection Microscope) 탄성 및 점성 측정 표면의 물리적 성질에 따라 위상차가 달라진다 폴리머 코팅 사진 PDM 사진 AFM 사진(표면 모양)

MFM(Magnetic Force Microscope) 자기력(磁氣力) 측정용 원자현미경 시료 표면의 자기적 성질에 따른 변화 컴퓨터 하드디스크 사진 AFM에 의한 표면 형상 MFM에 의한 자기분포 사진 자기 헤드에 의해 쓰여진 하나 하나의 데이터 비트(data bit) 모양이 잘 보이고 있다.

EFM(Electrostatic Force Microscope) 전기적 특성을 재는 원자현미경 정전기력을 이용하여 표면전위, 표면전하, 유전상수 등 시료의 전기적 특성을 측정하는 장치 ASIC 소자 사진 AFM에 의한 표면 사진 EFM에 의한 전위분포 사진 정전기력은 유전체 박막을 투과하므로 표면의 보호막을 제거하지 않고도 각 회로의 로직(logic)이 0인지 1인지를 쉽게 알 수 있다.

SCM(Scanning Capacitance Microscope) capacitance를 재는 원자현미경 MOSFET의 단면 사진 (4 x 4 mm) AFM에 의한 표면 높낮이 사진. SCM에 의한 전하 분포사진 effective gate channel width나 junction depth 등 중요한 정보를 얻을 수 있다.

Nanolithography SPM은 시료의 손상 없이 시료의 표면을 형상화하는데 이용되어지나 시료의 표면이 손상되어지는 만큼의 힘을 가하여 탐침으로 시료 표면의 원자나 분자 배열을 조작하는 기술이다 나노리쏘그라피를 이용하여 수정된 photoresistive 표면의 형상.

EC-SPM (Electrochemistry SPM) 전기화학적 성질을 측정하는 원자현미경 전기화학반응을 하기 전, 후 동안에 실제 공간, 실제 시간으로 전극 표면의 변화를 형상화할 수 있다 Pt/I(111) 3x3 in 0.05M H2SO4

NSOM (Near-Field Scanning Optical Microscopes)

AFM의 생물학적 응용 AFM으로 물속과 같은 생리학적 환경에 대한 이미지도 얻을 수 있다. 메신저 RNA 전사과정을 포착한 AFM 영상 겉보기 부피와 모양으로부터 DNA와 효소들을 구별할 수 있다.

AFM의 생물학적 응용 생분자들 간의 상호작용에 대한 연구 바이오틴(biotin, 작은 비타민의 일종)을 표면에 고정시킨 후 그와 잘 달라붙는 아비딘(Avidin, 단백질의 일종으로 네 개의 바이오틴 결합 주머니를 가진다.)을 시침에 달고 바이오틴-아비딘 결합력을 측정할 수 있다.

AFM의 생물학적 응용 DNA 및 염색체의 구조관찰 / RNA 전시과정 / 단백질과 효소의 반응 / 단백질의 표면흡착현상 / 생리활성 다당류의 미세구조 특성 / 마이크로 생체분자의 관찰 / 세포내의 반응 / 세포의 morphology나 운동성 / Synaptic release나 신호변환 process / 생체막의 미세구조 / 생물시료의 탄성도 등 각종 생물연구분야 / 유전자 시료의 초미세 조작기술