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고속 비디오 촬영 원자력현미경

전문가 제언: ○ 원자력현미경(AFM, Atomic Force Microscopy)은 미소 가공에 의해 제조된 외팔보(cantilever)라 불리는 작은 막대로서 길이 100μm, 폭 10μm, 두께 1μm로 아주 작아 미세한 힘으로도 상하로 쉽게 휘어지게 된다. 외팔보 끝 부분에는 뾰족한 바늘이 달려 있으며, 이 바늘의 끝은 주사터널현미경(STM, Scanning Tunneling Microscopy)의 탐침처럼 원자 몇 개 정도의 크기로 매우 첨예하다. 탐침을 시료 표면에 접근시키면 탐침 끝 원자와 시료 표면 원자 사이의 간격에 따라 인력 혹은 척력이 작용한다. AFM에는 접촉모드와 비 접촉모드가 있다.

○ 접촉모드 AFM에서는 척력을 사용하며 그 힘의 크기는 1~10nN 정도로 아주 미세하지만, 외팔보 역시 아주 민감함으로 그 힘에 의해 휘어지게 된다. 외팔보가 상하로 휘는 것을 측정하기 위하여 레이저 광선을 외팔보에 비추고 외팔보 윗면에서 반사된 광선의 각도를 포토다이오드(photodiode)를 사용하여 측정 바늘 끝이 0.01nm 정도로 미세하게 움직이는 것까지 측정할 수 있다. 바늘 끝의 움직임을 구동기에 피드백(feedback)하여 AFM의 외팔보가 일정하게 휘도록 유지시키면 탐침 끝과 시료 사이의 간격도 일정해짐으로 시료의 형상을 측정할 수 있다.

○ 비 접촉모드의 AFM에서는 원자 사이의 인력을 사용하는데 그 힘의 크기는 0.1~0.01nN 정도로 시료에 인가하는 힘이 접촉모드에 비해 훨씬 작아 손상되기 쉬운 부드러운 시료를 측정하는데 적합하다. 원자간 인력이 너무 작아 외팔보가 휘는 각도를 직접 잴 수 없어서 비 접촉모드에서는 외팔보를 고유진동수 부근에서 기계적으로 진동시킨다. 시료 표면에 다가가면 원자 간의 인력에 의해 고유진동수가 변하게 되어 진폭과 위상에 변화가 생기고 그 변화를 록인(lock-in) 증폭기로 측정한다. 이 기술을 이용하여 에피택셜(epitaxial) 실리콘의 표면을 AFM으로 찍을 수 있다.

○ 나노현미경의 개발은 계측기술을 동반 발전시켜 반도체 물질의 계측은 물론 미소 외팔보에 나노탐침의 개발로 단백질과 같은 부드러운 시료의 거동계측이 가능하게 된 것은 생체에 대한 연구를 한 단계 더 발전시킬 수 있게 하였다.

저자: Toshio Ando, Noriyuki Kodera
자료유형: 학술정보