Scanning Probe Microscope

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1 Scanning Probe Microscope
( SPM ) Kyoung Su Jeon

2 Contents 1. Scanning Probe Microscope (SPM)
2. Scanning Tunneling Microscope (STM) 3. Atomic Force Microscope (AFM) 4. Lateral Force Microscope (LFM) 5. Force Modulation Microscope (FMM) 6. Phase Detection Microscope (PDM) 7. Magnetic Force Microscope (MFM) 8. Chemical Force Microscope (CFM)

3 Scanning Probe Microscope ( SPM )
정의 : 물질의 표면 특성을 원자 단위까지 측정할 수 있는 현미경 - 1세대 : 광학 현미경 ( × 수천배 ) - 2세대 : 전자 현미경 ( × 수십만배 ) - 3세대 : 원자 현미경 ( × 수천만배 ) 특징 배율에 있어 TEM이나 SEM보다도 높기 떄문에 원자나 분자의 특성관찰까지 가능하다. 액중에 있는 시료를 관찰할 수 있으므로 세포, 생체물질, 고분자, 전기화학분야까지 폭 넓게 이용될 수 있다. 3차원적 이미지를 컴퓨터 data로 얻음으로 해서 여러 가지 data해석에 용이하다. 물리적인 interaction이기 떄문에 이미지 뿐만이 아니라 표면의 여러 성분을 특성에 따라 구분해 이미지화시킬 수 있어 응용의 폭이 넓다.

4 광학현미경 SEM SPM 측정정보 표면의 상태 표면형상 관찰기술 3차원형상 (표면) 2차원 형상 3차원형상(표면), 마찰, 표면전의 X축 분해능(평면) 0.1㎛ 100Å 10Å Y축 분해능(입체) 0.2Å 배율 1~2×103 10~106 25~108 시료의 환경 대기, 진공 진공 대기, 진공, 용액 시료의 제한 거의 모든 고체 도전성의 도체 시료의 손상 없음 크다 적다 측정시간 ~분 ~100초 Probe 전자총 Tip

5 Scanning Probe Microscope ( SPM )
역사 - 스위스 취리히, IBM연구원 Binning, Roher, Gerber, Weibel에 의해 개발 (1982) Binning, Roher는 이것으로 인해 1986년 노벨물리학상 수상 - Binning과 Roher는 IBM 주도하에서 AFM을 개발 (1986 ) Schematic diagram of generalized SPM

6 Scanning Tunneling Microscope ( STM )
SEM and TEM images of a STM tip

7 Scanning Probe Microscope (SPM)
STM의 원리 구조도 SPM의 일반적인 구조도 실리콘 (111) 표면

8 Atomic Force Microscope ( AFM )
가장 보편적인 원자현미경 시료와 Tip(cantilever)사이의 Van der Waals힘의 변화를 감지해서 이미지화 한다. STM의 결점을 해결 STM의 텅스텐 바늘 대신 마이크로 머시닝으로 제조된 캔틸레버(cantilever)를 이용 길이: 100㎛, 폭: 10㎛, 두께: 1㎛ 캔틸레버 역시 STM 탐침과 비슷해서 단지 미세한 힘에 의해 이것이 아래위로 쉽게 휘어짐 원리 1. 탐침을 시료 표면에 접근시키면 서로의 간격에 따라 인력과 척력이 작용 2. 캔틸레버와 시료원자사이의 힘에 의해 캔틸레버가 휘어짐 3. 휘어지는 정도를 측정하기 위하여 레이저를 캔틸레버에 비추고 반사된 각도를 포토다이오드를 사용하여 측정 nm의 미세 움직임까지 측정가능

9 Atomic Force Microscope ( AFM )
Feedback and x,y,z Scan Control ~ x,y,z Piezo Drum Scanner Piezo Photodiode Laser Image

10 < Microscope image >
Cantilever < FE-SEM image > ×20000 < Microscope image > ×500 100㎛, 10㎛ 1㎛

11 Atomic Force Microscope ( AFM )
Contact AFM - 시료와 탐침 사이의 거리가 가까울때 작용하는 반발력 사용 - 탐침과 시료사이의 거리가 가까우므로 수평 분해능이 좋다. - 탐침이 시료에 positive force를 인가하므로 시료가 손상될 수 있다. Non - contact AFM - 인력이 너무 작아 캔틸레버가 휘는 각도를 직접 잴 수 없다. - 측정원리 1. 캔틸레버를 고유진동수 부근에서 기계적으로 진동시킴 2. 시료표면에 다가가면 원자간의 인력으로 인하여 고유진동수가 변함 3. 진동수 변화를 lock-in amp로 측정 - 전기력이나 자기력이 원자간 인력보다 크면 순수한 표면 현상을 관찰하기 힘듦

12 Atomic Force Microscope ( AFM )

13 Lateral Force Microscope ( LFM )
표면의 마찰력을 재는 원자 현미경 시료와 Tip ( cantilever ) 사이의 Laternal force의 변화를 감지해서 이미지화 한다. 70㎛ HDT (-CH3) MUOH (-OH) MHA (-COOH)

14 Force Modulation Microscope ( FMM )
시료의 경도를 재는 원자 현미경 시료와 Tip사이의 Contact Force의 변화를 감지해서 이미지화 한다. 시료나 Tip을 진동시켜 표면까지 전달되는 진동의 진폭과 위상 변화를 감지해서 이미지화 한다. 탄소 광섬유가 폴리머 접착제 사이에 들어있는 단면을 찍은 사진. Scheme of FMM AFM image FMM image

15 Phase Detection Microscope ( PDM )
시료의 탄성 및 점성등을 재는 원자 현미경 Tip( cantilever )을 진동시켜 진동 주파수 신호의 변화를 감지해서 이미지화 한다. 폴리머 코팅한 것을 찍은 사진 NC-AFM image PDM image Scheme of FMM

16 Magnetic Force Microscope ( MFM )
자기력을 재는 원자 현미경 Non-contact mode에서 측정 탐침을 자성체(코발트, 크롬, 니켈)로 코팅 원자력과 자기력의 힘을 구분해서 사용할 수 있다. - 원자력간 : short-range force 가까이서 측정하면 topography 영상이 얻어짐 - 자기력간 : long-range force 멀리서 측정하면 자기 분포도가 얻어짐 AFM image MFM image 막대모양 하나가 데이터 비트임

17 Chemical Force Microscope ( CFM )
COOH (A) topography (B) friction force using a tip modified with a COOH - terminated SAM, (C) frinction force using a tip modified with a methyl terminated SAM. Light regions high friction dark regions low frinction .