스캐닝 프로브 현미경이란?
주사형 프로브 현미경(SPM)은 바늘처럼 날카로운 프로브로 시료 표면의 요철을 나노미터 단위로 관찰할 수 있는 현미경입니다.
시료 표면을 깨끗하게 하기 위해 고진공 하에서 사용하는 경우가 많지만, 대기 중에도 사용할 수 있습니다. 최근에는 액체 상태에서도 사용할 수 있는 제품도 개발되고 있습니다.
주사형 프로브 현미경의 종류는 다양하며, 주사형 터널 현미경(STM), 원자간력 현미경(AFM) 등이 있는데, STM은 원자 하나하나를 포착할 수 있어 나노 구조의 과학 기술 발전에 크게 기여한 공로로 발명자는 1986년 노벨 물리학상을 수상하기도 했습니다.
주사형 프로브 현미경의 사용 용도
주사형 프로브 현미경은 매우 미세한 나노미터 정도의 표면을 관찰할 수 있기 때문에 반도체, 유리, 액정 등의 표면 상태 관찰 및 거칠기 측정에 사용됩니다.
구체적인 관찰 대상은 실리콘 단결정의 원자 배열이나 유기 화합물의 페닐기 등입니다. 또한 미생물, 박테리아, 생체막과 같은 생체 시료의 DNA를 관찰하고 조작할 수 있습니다.
주사형 프로브 현미경은 1980년대에 개발된 새로운 현미경이지만, 원자 단위의 관찰 기술의 발전은 눈부시게 발전하여 마찰, 점탄성, 표면 전위를 측정할 수 있는 기종도 개발되어 용도가 점점 더 넓어지고 있습니다. 액체 측정은 전기화학, 생화학 등의 분야에서도 사용되어 보다 실제 환경에 가까운 상태 측정이 가능합니다.
주사형 프로브 현미경의 원리
주사형 프로브 현미경 중 가장 많이 사용되는 AFM과 STM의 원리를 설명합니다. 가느다란 바늘처럼 생긴 프로브의 끝이 시료 표면을 스캐닝하여 이미지와 위치 정보를 얻습니다. 프로브가 가늘고 원자 단위의 스캔을 하기 때문에 요철이 너무 큰 시료의 측정에는 적합하지 않습니다.
1. 주사형 터널 현미경(STM)
STM은 금속 프로브 끝에서 시료를 향해 나오는 터널 전류의 강도가 그 사이에 있는 진공이라는 절연체의 두께에 민감하게 반응하는 것을 이용합니다. 물질 표면의 원자를 개별적으로 분해하여 볼 수 있는 높은 분해능(두 점을 구분할 때 두 점 사이의 최단 거리)으로 시료 표면의 국부적인 높이를 정확하게 측정할 수 있습니다. 또한, 프로브가 시료 표면을 스캐닝하여 원자 단위의 요철 패턴을 관찰할 수 있습니다.
프로브에는 끝이 뾰족한 텅스텐이나 백금 등을 사용합니다. 양측의 전자 구름이 겹칠 정도의 근거리까지 프로브와 시료를 근접시키고 미세한 바이어스 전압(증폭기의 소신호 증폭을 위해 직류로 동작점을 설정하기 위한 전압)을 가하면 터널 효과에 의해 터널 전류가 흐릅니다.
STM에서는 금속 탐침을 시료 표면에서 수평(X, Y)으로 이동시키고 탐침과 시료 사이의 거리(Z)를 피드백 제어하여 터널 전류를 항상 일정하게 유지합니다. 일반적으로 원자 1개 크기보다 작은 정밀도로 거리를 제어할 수 있는 압전 소자로 수직 이동을 하여 단일 원자 간의 상호작용을 감지합니다. 이 때문에 STM은 3차원적으로 원자 단위의 해상도를 갖습니다. 압전 소자는 압력을 가하면 전압이 발생하는 압전 효과라는 현상을 이용한 수동 소자입니다.
2. 원자간 힘 현미경(AFM)
AFM은 프로브와 시료 표면의 미세한 원자간 힘(화학적으로 결합하지 않은 원자끼리 작용하는 약한 응집력)의 차이를 측정하고 주사하여 표면을 관찰합니다. 유기물이나 무기물에 관계없이 절연체나 생체 시료도 관찰할 수 있어 활용 범위가 넓으며, AFM 기술을 응용하여 마찰력, 점탄성, 유전율, 표면 전위 등을 측정하는 다양한 기종이 개발되고 있습니다.
캔틸레버(cantilever) 끝에 장착된 프로브와 시료 표면을 미세한 힘으로 접촉시킨다. 프로브와 시료 사이의 거리(Z)를 피드백 제어하여 캔틸레버에 작용하는 힘(편향량)을 일정하게 유지하면서 수평(X, Y)으로 스캔하여 표면 형상을 이미지화합니다.
주사형 프로브 현미경의 기타 정보
프로브의 종류
주사형 프로브 현미경의 대표적인 예인 AFM과 SPM은 모두 프로브를 사용하지만 그 종류가 다릅니다. 또한, AFM만 하더라도 재질, 길이 등 다양한 종류가 있어 측정 대상에 맞게 선택하는 것이 중요합니다.
또한, AFM은 원리에서 설명한 접촉 모드 외에 태핑 모드가 있는데, 이는 깨지기 쉬운 유기 시료에 대해 측정할 때 활용되며, 전용 프로브를 사용합니다. 또한, 프로브는 소모품이므로 직접 교체해야 합니다.