AFM이란 분석원리/이미징/해상도/MODE/반데르발스

AFM이란

AFM이란 Atomic Force Microscope라는 이름에서 알 수 있는것처럼 원자간의 힘을 바탕으로 측정되는 현미경이다. 한글로는 원자휨 현미경이라고 부르는데 그냥 AFM을 더 많이 쓴다. 기타 광학적 요소가 주가되는 현미경에서 약간 독특한 구조를 보여주는데 바로 프로브(probe)를 표면의 원자에 닿거나,가깝거나, 두드려서(tapping) 그 미세한 떨림과 원자와의 상호작용을 읽고 분석해내는 장비이다. 

AFM 장비 외관

AFM원리

AFM의 원리는 우리가 중고등학교에서 배운(요즘에는 언제배우나..모르는 아재) 반데르발스 힘을 이용한다. 전문적으로 하는 블로그는 아니니 간단하게 설명하면 AFM에는 탐침봉(Probe)가 있는데 이것을 샘플에 가까이 가져간다. 그럼 이 탐침봉이 표면에 있는 원자와 상호작용을 한다. 여기에서 반데르발스 힘이 작용하는데 탐침봉이 다가가면 표면의 분자나 원자가 일시적으로 편극이 발생하고 그러면 탐침봉의 거리에 따라 인력과 척력이 발생한다. 거리가 멀어지게되면 인력이, 거리가 가까워지게 되면 척력이 발생하는데 그러면 탐침봉을 지지하는 캔틸레버(Cantilever)가 움직이게 된다. 이 캔틸레버의 움직임을 따라 표면이 그려지게 되는것이다.

거리에따른 반데르발스힘

위 그림과 같이 반데르발스힘이 작용하게된다.

왼쪽 사진 (1)이 probe이고 (3)이 캔틸레버(Cantilever)이다. (2)를 샘플로봤을때 (1)과(2)의 거리에따라 오른쪽 mode가 구별된다. 

 

1)Contact mode 는 탐침봉이 샘플에 닿아있어 비교적 정확한 측정이 가능하나 샘플이 긁히는 단점이 있다.

 

2)Non-contact mode는 탐침봉이 일정한 거리를 두고 움직이지만 측정 정확도가 낮다.

 

3)Tapping mode는 일일이 두드려보면서 측정하지만 시간이 오래걸린다.

 

전체적으로 각각의 모드에는 장단점이 있지만 일반적으로 AFM은 탐침봉이 모든 샘플의 영역을 돌아다녀야하므로 시간이 오래걸리는게 단점이다.

AFM이미징

AFM 측정 이미지

AFM 해상도 및 기타

일반적으로 수십나노(00nm) 수준까지 측정할 수 있다. 2차원 영상을 제공하는 전자현미경에 비해 3차원 표면으로 보여주고 특수코팅이나 기타 물질을 도료할필요도 없다. 분해능(Resolution)도 높으며 진공을 잡지않고 진행하기에 단순 측정 시간은 오래걸릴 수 있으나

 

다른 장비들처럼 샘플 넣고 진공잡고 찍고 진공풀고 꺼내고 다시 측정장비 진공을 잡는 시간을 뺀다면 오히려 효율적으로 사용하기에 좋다.