원자현미경 원리

이 방식에서는, 탐침이 시료 표면 위를 접촉한 상태로 스캔하게 됩니다. 탐침이 샘플 표면과 접촉하고 있기 때문에, 탐침이 샘플 표면 위로 지나갈 때 강한 척력이 탐침을 휘게 만듭니다.

이 방식에서는, 탐침이 시료표면의 바로 위 부분에서 진동하며 스캔하게 나가게 됩니다. 정확한 피드백 회로는 탐침의 끝이 표면에 물리적으로 충돌하는 것을 방지함으로써 탐침의 끝을 계속 뾰족하게 보존해 주고, 시료 표면에 상흔이 남지 않도록 합니다. 탐침의 끝이 시료 표면에 접근하게 되면, 탐침의 진동 크기가 줄어들게 됩니다. 이 진동 크기의 편차는 피드백 회로를 이용하여 보정 되어지며, 이 정보를 통해 샘플표면의 형상을 만들어 냅니다.

Non-Contact mode (비접촉 방식)의 대체 기술인 이 방식에서는, Non-Contact mode와 비슷하게 탐침이 표면 바로 위에서 진동하게 되는데, 작은 진폭으로 스캔하는 Non-Contact mode와 다르게 큰 진폭으로 진동을 합니다. 이처럼 큰 진동으로 인해 제어회로가 캔틸레버의 신호를 쉽게 감지할 수 있기 때문에, Tapping mode의 이미징 피드백 제어는 다른 이미징 모드와 비교하여 훨씬 용이합니다. 이 방식은 AFM 이미징이 상대적으로 쉬워 일반적인 원자현미경 에 널리 사용되어 있고 있습니다. 하지만 반복적인 접촉으로 인해 탐침의 끝이 빨리 무뎌지는 단점이 있어, 이미지의 영상 분해능의 손실이 Non-Contact mode와 비교하여 빠르게 발생합니다.

동적 접촉식 전기력 현미경 검사는 기존의 정전력 현미경 검사에서 두 번의 스캔이 필요한 것과는 달리, lock-in amplifier(로크인 증폭기)를 이용하여 한 번의 주사를 통해 시료 표면의 지형과 전기 특성을 측정이 가능합니다. 여기서는, 캔틸레버의 공진과는 다른 AC 전류를 캔틸레버에 인가합니다. 이 AC전류의 변화된 값을 PSPD신호로부터 lock-in amplifier를 통해 추출하여 정전력 현미경 측정 신호를 이미지화 하게 됩니다.

정전력 현미경 검사는 바이어스 전압이 인가된 원자현미경 캔틸레버와 표면 사이의 정전력을 측정하여 시료 표면의 전기적 특성을 이미지화합니다. 정전력 현미경 측정 결과는 두 번의 별도로 스캔하여 얻어진 결과들이 합해져서 만들어지게 됩니다. 첫번째 스캔은 샘플 표면 형상을 측정하고, 이 형상을 기준으로 두 번째에는 샘플 표면으로부터 먼 거리에, 정전기력이 강하게 작용하는 영역에서 측정을 하게 됩니다. 이런 정전기 영역에서는, 탐침에 작용하는 인력 또는 척력에 따라 시료 표면의 양성과 음성의 전하 영역이 구분되어 측정이 됩니다. 결과적으로 정전력 현미경 측정을 하면 나노크기 영역의 전기적 특성을 샘플 표면 형상에 결합시킨 이미지를 얻을 수 있습니다.

시료의 전기 전도율을 바이어스 전압을 가한 전도성 캔틸레버를 이용하여 접촉 방식의 원자현미경 주사를 수행함으로 측정할 수 있게 됩니다. 높은 전기 전도율을 가진 시료 표면의 영역은 전류가 쉽게 흐르며, 낮은 전기 전도율을 가진 시료의 영역은 높은 전기 저항성을 갖게 됩니다. 전도식 원자현미경은 전도성 캔틸레버가 시료 표면에 접촉한 채로 스캔하여 형상 이미지를 얻음과 동시에 캔틸레버와 시료 간의 전류변화를 측정합니다.

탐침을 시료와 접촉되도록 이동시킨 후, 둘 간에 전압 차이를 걸어주게 되면, 전압차가 변화하는 동안 측정되는 전류를 통해서 표면의 특정 지점의 세부적인 전기적 특성들을 측정할 수 있습니다. 또한 이러한 특정 지점들에서 자료들을 모두 수집하여 표면의 전기적 특성을 이미지화 할 수 도 있습니다.

주사형 정전용량 현미경 검사는 시료표면과 금속 탐침 간의 국지적 전기용량의 변화를 기록함으로써 시료 표면의 특성을 파악하는데 이용됩니다. 탐침-시료 간의 정전용량은 carrier(수송자)를 교류와 직류 성분을 포함하는 바이어스로 조절함으로써 검출 할 수 있습니다. 이때 증폭기를 사용하여 전기용량 감지기 출력을 높은 signal to noise ratio(신호대 잡음비)로 측정합니다. 주사 정전용량 현미경 검사 출력 신호(dC/dV)의 크기는 수송자 밀도 또는 첨가 불순물 농도의 함수로 결정됩니다.

주사 켈빈 탐침 현미경 검사에서는 정전용 캔틸레버가 기준 공진주파수로 진동하는 동시에 비접촉모드를 이용하여 시료표면 위를 스캔하게 됩니다. 정전력 신호의 결과를 얻어 시료 표면의 정전 신호 전위 및 전하 분포에 대한 정보를 알아낼 수 있습니다. 샘플 표면 형상 데이터는 탐침과 시료사이의 힘을 조절하면서 측정됩니다.

SSRM is a mode mainly used to study the electrical properties of semiconductor cross-sections, which can be measured in a vacuum to prevent oxidation after removing the oxide film on the sample. The conductive cantilever is brought into contact with the sample, and a voltage is applied between the cantilever and the sample. The cantilever strongly presses the sample surface, penetrate the oxide layer on the surface, then makes ohmic contacts. It comprehensively measures electrical properties such as current and resistance, as well as topography. The part with a high resistance does not allow current to flow easily, and the part with a low resistance allows for easy current flow. These electrical characteristics are observed through current and resistance images.

이온 전도 현미경 검사는 나도미터 크기의 구멍이 있는 피펫을 이용합니다. 수용액 속에서 피펫의 내 외부 간의 이온의 흐름은 나노피펫의 끝과 표면 사이의 거리에 따라 변화하게 됩니다. 표면형상은 이온의 흐름을 일정하게 유지시키는 피드백 조절기를 이용하여 얻게 됩니다.

힘-거리 곡선은 탐침을 수직으로 이동시켜 시료 표면과 접촉시키면서 측정합니다. 이 기법으로 샘플 표면의 점도, 윤활재 두께 및 표면 탄성의 국지적 변화를 분석할 수 있습니다.

정전력 현미경 검사 (EFM)가 표면 형상을 얻기 위한 스캔과 전기적 특성을 위한 다른 별도의 스캔을 결합하는 것과 마찬가지로, 자기력 현미경 검사도 표면 형상을 얻기 위한 스캔과 자기적 특성을 위한 다른 별도의 스캔을 수행하게 됩니다. 자기력 현미경 검사는 접촉 방식으로 표면 형상을 얻고, 자력이 강하게 작용하는 시료표면으로 부터 멀리 떨어진 영역에서 자력을 측정하게 됩니다. 자기력은 작용범위가 상대적으로 먼 것이 특징입니다. 이 자기력 영역에서는, 강자성 박막으로 코팅된 MFM 팁으로 시료 표면에서 자력의 공간적 변화를 이미징합니다.

힘 변조 현미경 검사에서는, 탐침이 진동을 하며 시료 표면을 스캔하며 지나갑니다. 탐침의 진동 진폭은 시료표면의 국지적 경도에 따라 변화하게 되는데, 이 변화는 PSPD 신호에서 측정되어지며, 이를 이용하여 시료표면 경도을 계산할 수 있습니다. PSPD신호의 크기 변화는 내부 lock-in amplifier(로크인 증폭기)에 의해서 정확하게 측정됩니다.

접촉 모드에서는 캔틸레버의 수직 방향 휨을 측정하여 시료 표면 정보를 수집하는 반면, LFM에서는 캔틸레버의 수평 방향으로 휘는 정도를 측정합니다. 캔틸레버의 수평 휨은 캔틸레버가 시료 표면을 수평으로 이동할 때 캔틸레버에 작용하는 힘의 결과로 나타나며 이 휨의 강도는 마찰계수, 시료 표면의 형상, 캔틸레버 이동 방향 및 캔틸레버의 수평 스프링 상수에 따라 결정됩니다.

NanoIndentation은 시료의 표면을 원자현미경 탐침을 이용하여 일정한 힘으로 누르고, 이 때 눌려져 변형된 표면의 형상을 이미지화함으로써 물질의 국소 영역의 강도를 조사합니다. 강도와 탄성은 샘플 표면을 탐침으로 눌렀다가 띄는 과정을 측정한 곡선 을 분석함으로써 얻어집니다.

여기서, 탐침은 역학적 및/또는 전기적 방법들을 통해 시료 표면을 의도적으로 변형하는데 이용됩니다. 샘플 표면을 특화된 단단한 탐침이 과도한 힘으로 찌르고 긁어서 도려내게 됩니다. 전기적으로 표면을 변경하기 위해서는, 높은 전압이 걸린 탐침이 사용하며 국소적 표면 영역을 산화시켜 모양을 변형 시킵니다.

근접 주사 광학 현미경 검사(NSOM)에서, 표면 형상 스캔은 나노크기의 구멍을 가진 특화된 탐침을 가지고 수행하게 됩니다. 주사가 진행되는 동안, 레이저가 캔틸레버의 구멍을 통해 전달되어 시료 표면을 자극하게 되고, 광자수 측정기를 이용하여 각 자극된 지역들의 광학적 반응을 검출하게 됩니다. 결과적으로 샘플 표면의 형상 이미지를 광학적 영상과 결합하게 됩니다.

근접 주사 광학 현미경 검사(NSOM) 측정과 마찬가지로, 팁 증폭 라만 분광법(TERS)은 자극 레이저를 이용하여 시료 표면으로부터 광학 신호를 측청합니다. 여기서, 측면으로부터 조사되는 레이저로 인해 탐침 끝에서 광학신호의 증진 효과가 발생합니다. 게다가 광자수 측정기 대신에 분광 광도계가 사용되어 이용자들이 자신들의 시료 표면의 국소적 화학적 구성 요소를 측정 가능하여, 국소적인 화학적 구성성분을 알 수 있는 Raman spectra를 얻을 수 있습니다.

시료 표면의 열 특성을 측정하기 위하여, 온도에 따른 저항률을 띠는 특수 제작된 탐침을 이용하여 접촉 방식의 이미징을 합니다. 스캔이 진행되는 동안 시료 표면의 열 영상과 연관성을 갖는 탐침 끝의 전기저항 변화를 이미지화하게 됩니다.

Electrochemical AFM (EC-AFM) is an optional mode that monitors changes at the sample surface due to oxidation-reduction (redox) reactions. A potentiostat is combined with the AFM to control the voltage potentials and measure current between a working electrode (sample), a reference electrode, and a counter electrode immersed in a liquid electrolyte. Cyclic voltammetry is an EC technique to study redox behavior by sweeping the working electrode potential relative to the reference electrode and measuring the current response in the electrochemical cell. A cyclic voltammogram CV shows the cathodic and anodic peak currents during the forward and backward sweeps between switching potentials. During CV sweeps, electron transfer processes occur at the working electrode and analyte molecules can undergo oxidation and reduction at the electrode surface. The AFM can image the surface morphology of the working electrode at fixed electrode potentials along a CV curve or continuously monitor changes in the surface morphology in real-time during multiple CV cycles. EC-AFM can provide information into many electrochemical processes like deposition, corrosion, and electron transfer mechanisms, as well as provide insight into material design for sensors, catalysts, and battery/energy cell applications.