용어의 정의

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AFM은 탐침을 시료 표면에 근접 시켰을 때 생기는 원자 사이의 힘을 이용하여 시료표면의 형태를 관찰하는 표면 분석장치이다. AFM에서 사용되는 탐침은 캔틸레버라 불리우는 작은 막대 끝에 달려있다. 마이크로머시닝으로 제작된 캔틸레버는 그림 1에서 보는 것과 같이 길이 100 μm, 폭 10 μm, 두께 1 μm정도로 아주 작아서 미세한 힘에 의해서도 아래위로 쉽게 휘어지도록 만들어졌다. 캔틸레버 끝 부분에 달려 있는 탐침의 끝은 원자 몇 개 정도의 크기로 매우 첨예하다. 이 탐침을 시료 표면에 접근시키면 탐침 끝의 원자와 시료 표면의 원자 사이에 서로의 간격에 따라 끌어당기는 힘(인력)이나 밀치는 힘(척력)이 작용한다(Van der Waals Force). 여기서 인력을 이용하는 방식은 비접촉식(non-contact mode) AFM 이고, 척력을 이용하는 것은 접촉식(contact mode) AFM이다.
접촉식 AFM에서는 척력을 사용하는데 그 힘의 크기는 1~10 nN 정도로 아주 미세하지만 캔틸레버 역시 아주 민감하므로 그 힘에 의해 휘어지게 된다. 이 캔틸레버가 아래위로 휘는 것을 측정하기 위하여 레이저 광선을 캔틸레버에 비추고 캔틸레버 윗면에서 반사된 광선의 각도를 포토다이오드(photodiode)를 사용하여 측정한다(그림 2). 이렇게 하면 바늘 끝이 0.01 nm 정도로 미세하게 움직이는 것까지 측정해낼 수 있다. 구동기의 높이를 조절하여 캔틸레버가 일정하게 휘도록 유지시키면 탐침 끝과 시료사이의 간격도 일정해지므로 STM의 경우에서와 같이 시료의 형상을 측정해낼 수 있다.
비접촉식 AFM에서는 원자사이의 인력을 사용하는데 그 힘의 크기는 0.1~0.01 nN 정도이다. 시료에 인가하는 힘이 접촉식에 비해 훨씬 작기 때문에 손상되기 쉬운 부드러운 시료를 측정하는데 적합하다. 원자간 인력의 크기는 너무 작아 캔틸레버가 휘는 각도로 직접 잴 수가 없다. 따라서 비접촉식 AFM에서는 캔틸레버를 공진주파수 부근에서 기계적으로 진동시킨다. 탐침이 시료표면에 다가가면 원자간의 인력에 의해 캔틸레버의 공진주파수가 변하게 되어 진폭과 위상에 변화가 생기는데 그 변화를 lock-in amp로 측정한다. 원자간에 상호 작용하는 힘은 시료의 전기적 성질에 관계없이 항상 존재하므로 도체나 부도체 모두를 나노미터 단위의 높은 분해능으로 관찰할 수 있다.