AFM분석 원리/해석/장치/기기

AFM은 현재 가장 널리 쓰이는 Scanning Probe Microscope(SPM) 중의 하나로 원자현미경이다. 원자힘현미경은 시료 표면의 원자 혹은 분자와 캔틸레버라고 하는 막대에 달린 나노 크기의 바늘(탐침, 팁)간의 상호작용에 의해 휘어지는 캔틸레버를 레이저가 인식하면서, 시료 표면의 일정 면적에 대한 스캔을 통해 표면의 높낮이 구조를 영상으로 재구성 시키는 현미경이다. 이러한 원리를 이용하여 진공, 공기, 액체와 같은 다양한 환경에서 시료의 나노미터 크기에 대한 정보를 얻을 수 있기 때문에 원자힘현미경은 생명과학연구, 반도체 제작, 나노입자 개발 등의 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다.

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AFM은 캔틸레버라 불리는 장치 끝에 매우 미세한 탐침을 부착하여 제작한다. 캔틸레버는 일반적으로 실리콘(silicon)이나 질화 실리콘(silicon nitride)로 이루어져 있고, 탐침의 곡률반경은 일반젇으로 나노미터 Size 이다. 시료 표면과 직접 맞닿는 부분으로 탐침의 특성에 따라 Resolution이 달라 질 수 있다. 또한, 캔틸레버에 따라 얻게 되는 이미지가 달라지는데, 이를 개선하기 위해 팁 끝에 단일 탄소나노튜브를 코팅하여 사용하기도 한다.

원자힘현미경의 캔틸레버 탐침은 시료 표면과의 반 데르 발스 힘(Van der Waals force), 화학적 결합(Chemical bonding), 정전기힘(electrostatic force), 자기력(magnetic force) 등의 접촉힘이 작용한다. 원자힘현미경의 이미지는 캔틸레버 탐침이 시료 표면을 스캔하는 과정에서 원자힘현미경의 본체에서 나온 레이저 스팟(laser spot)이 캔틸레버 끝에서 반사되어 포토다이오드 어레이로 빛을 인지한 후 이를 재구성하여 얻게 된다. 

 

AFM 모드

접촉모드(contact mode)

이 접촉방식에서는 탐침이 시료표면 위를 접촉한 상태로 스캔하게 되므로 상대적으로 지배적인 척력으로 측정됩니다. 캔틸레버의 탐침이 샘플에 완전 닿게 한 후, 탐침이 표면을 긁으면서 지나가게 되고 이때 AFM 원리 에 의해 영상화 됩니다. 샘플의 경도가 높을경우에 사용되며 탐침이 표면에 접촉하게 되므로 탐침과 샘플의 손상이 있습니다.

 

비접촉모드(non-contact mode)

비접촉 모드에서는 탐침을 샘플 윗부분에서 진동시킵니다. 물질 표면에 가까워지면 인력의 영향으로 이 고유 진동수가 변하게 되는데 이로 인해 발생하는 진폭과 위상의 변화를 측정하게 되는 것입니다.

탐침이 시료 표면에 물리적으로 충돌하는 것을 방지하므로 접촉모드보다 경도가 낮은 샘플(생물 또는 박막)을 측정하는 데 적합한 방법입니다. 따라서, 탐침 또는 샘플의 손상이 적으며 접촉모드보다는 스캔 속도가 빠른 편입니다.

 

 

두드림모드(tapping mode)

탐침에 일정한 진동을 주어 시료를 손상시키지 않음과 동시에 접촉모드와 같은 해상력을 얻을 수 있습니다.

비접촉방식처럼 시료표면 바로 윗부분에서 시료의 상을 측정하고 캔틸레버가 진동하지만, 비접촉모드보다 큰 진동을 하게 됩니다. 강한 신호를 받을 수 있기 때문에 측정이 용이한 편이고 AFM 중 가장 선명한 영상화가 가능한 분석이므로 널리 적용됩니다.

 

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AFM 분석 데이터 단어 해설

Min - 라인 중 가장 작거나 낮은 값

Max - 라인 중 가장 크거나 높은 값

Mid - Min값과 Max값의 평균값

Mean - 라인 내 모든 포인트의 높이를 합한 뒤 포인트의 갯수로 나눈 값

Rpv - (Max - Min)값

Rq - 라인 내에서 mean line을 기준으로 모든 높이 절대값을 합한 후 라인 길이로 나눈 값

Ra - 라인 내에서 mean line을 기준으로 모든 높이 제곱값을 합한 후 라인 길이로 나누고 루트를 씌운 값

Rz - 라인 내에서 mean line을 기준으로 가장 높은 점 5개와 가장 낮은 점 5개의 절대값 평균값

Rsk - mean line을 기준으로 위아래의 비대칭도를 나타내는 척도, 0에 가까울수록 대칭이다. 양수값일 경우 아래쪽으로, 음수값일 경우 위쪽으로 치우친다.

Rku - mean line을 기준으로 높이의 분포를 나타내는 척도, 3에 가까울수록 정규분포에 가깝다. 3보다 클경우 정규분포보다 뾰족한 분포를 가지며 낮을 경우 정규분포보다 평평한 분포를 가진다.

 

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