AFM (Atomic Force Microscopy, 원자력 현미경)
AFM은 나노스케일에서 표면의 형태와 물성을 측정하는 주사탐침현미경(SPM) 기술입니다.
기본 구조
주요 구성요소:
- 캔틸레버(Cantilever): 끝이 뾰족한 미세한 탐침이 달린 작은 팔
- 탐침(Tip): 캔틸레버 끝의 날카로운 침, 곡률반경은 수~수십 나노미터
- 레이저 검출 시스템: 캔틸레버의 미세한 움직임을 감지
- 압전 스캐너: 시료를 나노미터 정밀도로 3차원 이동
- 피드백 시스템: 탐침-시료 간 거리를 일정하게 유지
작동 원리
1. 힘 감지 탐침이 시료 표면에 접근하면 원자 간 상호작용력(반데르발스력, 정전기력 등)이 작용합니다. 이 힘에 의해 캔틸레버가 휘어지며, 레이저 빔이 캔틸레버 뒷면에서 반사되어 포토다이오드에 도달합니다. 캔틸레버의 굽힘 정도를 통해 힘의 크기를 측정합니다.
2. 표면 스캔 압전 스캐너가 시료를 x-y 방향으로 이동시키면서, 피드백 시스템이 탐침-시료 간 힘(또는 거리)을 일정하게 유지합니다. 이때 z 방향의 움직임을 기록하여 표면 형상을 매핑합니다.
주요 측정 모드
Contact Mode (접촉 모드)
- 탐침이 시료 표면에 직접 접촉하여 스캔
- 빠른 측정 가능하지만 시료 손상 위험
Non-contact Mode (비접촉 모드)
- 탐침을 공명주파수로 진동시키며 표면 근처에서 스캔
- 시료 손상 최소화, 부드러운 샘플에 적합
Tapping Mode (탭핑 모드)
- 탐침이 표면을 간헐적으로 두드리며 스캔
- 접촉과 비접촉의 장점을 결합한 가장 널리 사용되는 모드
특징 및 응용
장점:
- 대기 중, 액체 환경에서 측정 가능
- 전도성/비전도성 시료 모두 측정 가능
- 나노미터~마이크로미터 범위의 넓은 측정 영역
- 3차원 표면 형상 정보 제공
응용 분야:
- 나노물질 표면 특성 분석
- 생물학적 시료 (DNA, 단백질, 세포) 관찰
- 반도체 표면 검사
- 기계적 물성(탄성, 점성) 측정
- 나노스케일 가공 및 조작
해상도: 수직 방향 0.1nm, 수평 방향 1nm 수준의 초고해상도