[화학과 물리화학 실험] SPM-STM(Scanning Tunneling MicroScope)과 AFM(Atomic Force MicroScope)

소개글

1. STM (Scanning Tunneling MicroScope)의 원리
도전체 표면에 가느다란 텅스텐이나 백금선을 부식 시켜 그 끝에 원자 몇 개만 있게 한 탐침 (STM TIP) 을 원자 한 두개크기 정도의 거리 이내로 접근시키고 양단간에 약간의 전압을 걸면 터널링 현상에 의한 전류가 발생한다.
STM은 바로 이러한 도전성 팁과 샘플사이의 터널링 전류가 이들 사이의 거리와 지수적인 관계, 즉 I∼Ve-cd 이라는 사실에 원리의 근거를 둔다. 여기서 I=터널링 전류, V=팁과 샘플간의 전압편차, C=상수, d=팁과 샘플의 떨어진 거리이다. 팁이 샘플표면을 주사할 때 팁은 다른 높이의 샘플 형상을 만나는데 이러한 다른 형상이 터널링 전류에 지수 적인 변화를 주면 귀환회로에 의해 이 높이의 변화는 초기에 설정한 전류값(팁과 샘플의 떨어진 거리)에 도달될 때까지 각(x, y) 데이터 지점에서 스캐너를 수직방향으로 움직여 일정한 터널링 전류가 되게 하면서 각(x, y) 데이터 지점에서의 스캐너의 수직위치를 컴퓨터에 저장하여 샘플표면의 삼차원영상을 얻는 원리인데 이 기술의 적용은 도체나 반도체에 제한된다.
이러한 샘플의 제한을 극복하기 위해 AFM(Atomic Force MicroScope :원자 힘 현미경)을 개발하여 부도체인 시료를 볼 수 있게 하여 원자현미경을 고분자, 생명공학 및 광학등 거의 모든 분야에서 사용할 수 있게 하였다.
STM의 모드에는 팁의 높이가 일정한 Constant high모드와 전류를 일정하게 흘려주는 Constant current모드 등이 있다.
2. AFM(Scanning Force MicroScope)의 원리
"AFM"에서는 STM과는 달리 텅스텐 또는 백금으로 된 탐침대신 나노기술로 제조된 프로브를 사용하는데 이 프로브는 프로브의 모판(substrate) 끝에 아주 미세한 힘(나노뉴톤)에서 쉽게 휘어지는 판형 스프링(cantilever) 끝에 원자 몇 개 정도의 크기로 끝이 가공된 탐침(tip)을 붙였다.
이 프로브 탐침의 끝을 샘플 표면에 근접시키면 이 탐침을 시료 표면에 접근시키면 탐침 끝의 원자와 시료표면의 원자 사이에 서로의 간격에 따라 끌어당기거나(인력) 밀치는 힘(척력)이 작용한다. 이 힘에 의해 캔티레버의 휨이 발생하고 이 힘이 일정하게 유지되도록 하면서 귀환회로에 의해 정밀 제어 하면서 각 지점(x, y)에서 스캐너의 수직위치를 저장하여 샘플표면의 삼차원 영상을 얻을 수 있는 원리로서 아래와 같은 몇 가지 다른 모드가 있다.

목차

《 실험 목적 》
《 실험 이론 》
1. STM (Scanning Tunneling MicroScope)의 원리
2. AFM(Scanning Force MicroScope)의 원리
1) Contact Mode의 원리
2) Non-Contact Mode의 원리
3) Tapping Mode의 원리
4) AFM 측정 모드별 장단점 비교
4. SPM의 측정기능
※ HOPG (고배향성열분해흑연)
《 실험 기구 및 시약 》
《 실험 방법 》
《 실험 결과 》
▶ DATA
▶ DATA 처리
《 고 찰 》

본문내용

《 실험 목적 》 SPM의 원리를 이해하고 이것을 이용하여 HOPG의 결합길이를 구한다.

《 실험 이론 》
앞으로는 과학의 추구 방향이 원자 크기대의 극소형의 것을 대상으로 하게 됨에 따라 이들을 관찰하고 조작하고 또 그 성질과 양을 이해하기 위해서는 Nano-Technology를 필요로 하게 되었다. 이러한 Nano-Technology를 선도하는 기술은 지난 80년대 발명된 STM(Scanning Tunneling MicroScope)과 AFM(Atomic Force MicroScope 을 포함하는 주사탐침현미경 (Scanning Probe MicroScope)이다.


《 고 찰 》
지금까지의 실험과는 다른 색다른 실험이었던 것 같다. 처음으로 STM과 ATM을 보게 되었고, 또한 그 원리에 대해서도 알아볼 수 있었던 좋은 기회였다.
이 기계들은 소리에 아주 민감하기 때문에 다른 실험실에 따로 있어서 실험실을 이동하여 살펴볼 수 있었다.
사진으로만 보던 것들을 실제로 보니 정말 신기할 따름이었다. 눈에 보이지 않는 구조를 기계로 볼 수 있고, 게다가 HOPG판상 구조를 STM에 넣는 과정까지 살펴 볼 수 있었다.
처음 실험실에 들어갔을 땐 ATM으로 벤젠을 모니터링 하는 것을 볼 수 있었는데, 분자 구조로만 그렸던 벤젠을 모니터링 한 모습을 실제로 처음 보아서인지 약간 의아했다. 그리고 실험실에는 많은 기계가 있었는데, 그 중에는 교수님이 만든 것도 있다는 소리에 놀랐다.
솔직히 이러한 기술이 있다는 것을 이번 기회를 통해 처음 접하게 되어서 이번 실험은 놀라움의 연속이었다. 이론적으로 배운 지식들을 이용해 이런 기계를 만들고 그것을 이용해 또 다른 것들을 밝혀낸다는 사실은 앞으로 과학의 발전은 쭉 계속될 것이라는 것을 의미하는 것만 같았다.
이번 실험을 통해 많은 것을 보고 배우고 느낄 수 있었던 것 같다.

참고 자료

[1]. 물리화학, Peter Atkins, Juliode Paula, seventh edition
[2]. Experimental Physical Chemist, G.Mattews, Clarendon