AFM(Atomic Force Microscopy) 원리

1. 정의

AFM은 Atomic Force Microscope의 약자로써 탐침(probe)을 통해 스캔한다는 의미의 SPM(Scanning Probe Microscope)의 일종이다. Probe와 시료사이의 간격이나 상호작용에 의하여 달라지는 반데르발스 힘(Van Der Waals Force)에 의하여 probe가 움직이게 된다. 절연된 미세한 탐침을 절연 시료 표면에 원자 단위의 미세한 크기까지 근접시키면 양자의 원자간에 힘이 작용하게 되고 원자간의 힘을 측정하는 방식으로 표면의 원자 구조와 형태를 측정하는 현미경이다. STM이나 SEM과는 다르게 전자의 이동과는 무관하며 따라서 시료표면에 금속을 증착시키는 일을 하지 않아도 되며 진공장치가 필요 없다.

광학현미경과 전자현미경의 뒤를 잇는 제3세대 현미경으로, 나노기술 발전에 꼭 필요한 첨단 계측장비이다. 원자 지름의 수십분의 1까지 측정할 수 있으며, 진공에서만 관찰이 가능한 전자현미경과 달리 대기 중에서도 사용할 수 있다.

또 시료의 형상을 수평·수직 방향 모두 정확하게 측정할 수 있고, 시료의 물리적 성질과 전기적 성질까지도 알아낼 수 있다. 배율은 광학현미경이 최고 수천 배, 전자현미경이 최고 수십만 배인 데 비해 최고 수천만 배까지 가능해 하나하나의 원자까지 상세하게 관찰할 수 있다.

텅스텐과 같이 단단하고 안정된 금속의 끝을 뾰족하게 만들어 그 바늘(탐침)을 측정하고자 하는 시료에 접근시켜 주사하는 주사터널링현미경(Scanning Tunneling Microscopy, STM)이 최초의 원자현미경이다. 이어 등장한 것이 AFM(Atomic Force Microscopy, AFM)으로, 현재 가장 널리 쓰이는 원자현미경이다.  AFM에서는 캔틸레버(cantilever)로 불리는 작은 막대를 탐침으로 쓴다.

AFM의 구조

2. 원리

반데르발스 힘(van der Waals force)은 물리화학에서, 공유결합이나 이온의 전기적 상호작용이 아닌 분자간, 혹은 한 분자 내의 부분 간의 인력이나 척력을 말한다. 즉, 무극성 분자에서 전자의 운동으로 순간적인 쌍극자가 형성되면 그 옆의 분자도 일시적인 편극이 일어나서 유발 쌍극자가 생성된다. 이런 순간적인 쌍극자와 유발 쌍극자의 인력을 반데르발스 힘이라고 한다.

이러한 반데르발스 힘은 cantilever과 시료 표면 사이의 거리에 따라 척력(repulsive force)과 인력(attractive force)이 작용하게 된다. 거리가 가까울수록 척력(repulsive force)이 작용하며 거리가 상대적으로 멀어지면 인력(attractive force)가 작용하는 것이다. AFM 또한 어떠한 힘이 작용하느냐에 따라 사용하는 mode가 달라지는데, 여기에는 팁의 종류에 따라 contact mode, non-contact mode, vibrating(tapping) mode의 세가지 mode가, 측정하는 방법에 따라 constant height mode, constant force mode가 존재한다.

거리에 따라 작용하는 반데르발스 힘과 사용되는 AFM mode

1. Contact mode

Cantilever과 시료표면 사이의 거리가 수 Angstrom(Å) 일때에는 Repulsive force가 지배적이며 이때에는 contact mode 를 사용한다. Contact mode의 cantilever은 soft한 것을 사용하는데, 이는 cantilever과 tip의 사이가 매우 가까우므로 hard한 tip을 사용 할 경우 시료 표면의 굴곡에 의해 시료와 cantilever이 충돌하여 시료 표면에 손상이 가는 것을 방지하기 위함이다. Repulsive force 영역에서는 단위 거리 변화에 따른 힘 변화가 큰데, 여기에 soft한 cantilever이 같이 사용되어 해상도가 뛰어나다.

2. Non-contact mode

Cantilever과 시료표면 사이의 거리가 수백~수천 Angstrom(Å) 일때에는 Attractive force가 지배적이며 이때에는 non-contact mode를 사용한다. Non-contact mode의 경우는 contact mode와는 달리 hard한 것을 사용하는데 이는 soft한 팁일 경우 attractive force에 의해 cantilever와 시료가 닿게되어 시료표면에 손상이 일어날 수 있기 때문이다. 해상도는 조금 떨어지나, contact mode에 비해 scan 속도가 빠르다는 장점이 있다.

3. Vibrating (Tapping) mode  

Contact mode와 Non-contact mode에서 일어나는 시료의 손상을 최소화 하기 위해 고안된 방법이다. Tip에 일정한 진동을 주어 시료를 손상시키지 않으면서 표면 높이 차가 큰 시료나 손상되기 쉬운 시료 등에서 Contact Mode와 같은 해상력 얻을 수 있다는 장점이 있다.

a) Constant force mode

Constant force mode는 cantilever의 tip과 시료 사이에 작용하는 힘을 일정하게 유지시키며 측정하는 방법이다. Feedback 회로를 통해 tip과 시료 사이의 거리가 변할 때마다 tip의 z축을 조절하여 설정해둔 힘 기준값에 맞추면서 scan 하도록 한다. Scanner의 움직임에 따라 시료 표면의 요철 이미지가 만들어져 분석 할 수 있다. Constant force mode에서는 scanning 속도가 feedback 회로 반응속도에 따라 제한 되지만 tip에 의해 시료에 가해지는 힘을 잘 제어 할 수 있다. 일반적으로 이 모드를 자주 사용한다.

b) Constant height mode

Constant height mode는 cantilever의 tip과 시료 사이의 간격 (z축 높이)을 일정하게 유지시키며 측정하는 방법이다. Tip의 z축 높이가 고정되어 있기 때문에 주로 표면이 평평한 시료 분석에 많이 쓰인다. Feedback 회로가 없기 때문에 힘의 변화를 즉각적으로 image화 할 수 있기 때문에 scan 속도가 빠르다는 장점이 있다. 때문에 실시간으로 변하는 시료 표면을 관찰 할 때에도 용이하다.