현미경은 크게 3세대로 나뉜다.
· 1세대는 광학 현미경으로서 가시광선을 이용하는데, 분해능이 좋지 않다.
· 2세대는 전자현미경으로 SEM, TEM이 대표적이다. 전자를 가속시켜 에너지를 키우면 높은 파장이 나온다. 즉, 전자를 가속시킨 후 시료를 두들기면 반사되는 파장이 나오고, 이를 이용한다. 다만, 에너지를 높이면 그만큼 시료 손상이 크다.
· 3세대인 원자현미경은 나노 크기까지 볼 수 있다. 크게 주사터널링현미경(STM)과 원자간력 현미경(AFM)으로 나누는데, 개별 원자와 분자를 관찰하고 조작할 수 있는 수준까지 이르게 됐다. 어떠한 환경에서도 측정 가능하고, 전처리가 가능하지만 스캔 속도가 2세대에 비해 상대적으로 느리다는 단점이 있다.
STM(Scanning Tunneling Microscope)
- tip과 시료 사이의 거리를 10 나노미터 안팎으로 유지시킨 후, 전자를 쏘아주면 전류가 흐르는 터널링 현상이 일어난다.
- 이때 시료의 굴곡에 따라 전류의 차이가 나는데, 이를 이미지화시킨다.
AFM(atomic force microscopy)
- Cantilever를 이용한다. 이때 atomic force를 이용하기 때문에 AFM이라 불린다. * Cantilever란 하단 이미지처럼 탐침봉 같은 것을 말한다. 그리고 Cantilever 끝에 있는 것은 tip이라고 한다.
- lennard jones potential을 이용 (여기서 인력은 van der Waals force라고함)
*tip과 시료 사이가 가까워지면 인력이 작용한다. 이때 너무 가까워지면 척력이 발생해 밀어내는 원리.
AFM 원리
- tip과 tip에 연결되어있는 Cantilever 이때 tip 위로 laser를 쏜다.
- tip이 시료를 지나갈 때, 굴곡이 발생하면 원자 간 사이에 힘이 바뀌고, 이로 인해 Cantilever가 휜다.
- 이로 인해 반사되는 laser 각도가 변화하고, Photo diode에 변화된 빛의 세기를 전류로 전환하여 이미지화하는데, Photo diode를 4등분하여 좀 더 좌표화를 쉽게 할 수 있게 설계했다.
표면 형상을 이미지화하는 방법
- 피드백 회로를 이용하여 탐침이 휜 정도를 일정하게 유지하면서, 샘플 표면을 스캔하게 되면 정확한 샘플 표면 형상을 이미지화할 수 있다.
- 이때 positive feedback(지속적 증폭)과 negative feedback(증폭을 줄여, 일정 값을 유지)이 있는데, 원자현미경에선 negative feedback을 주로 이용한다.
AFM 여러가지 옵션
Contact mode
- 원리는 같다. tip이 시료 표면을 직접 지나간다.
- 이 때문에 고해상도를 얻을 수 있으나, 시료 표면과 tip의 마찰로 인해 손상이 일어난다.
Non Contact mode
- tip이 시료 표면 윗부분에서 진동한다. 가까이 다가가면 척력, 멀어지면 인력이 작용한다. 힘의 부족으로 Cantilever의 휘어짐이 적은데, 이를 위해 기계적으로 진동을 준다.
- 표면에 가까워질수록 척력이 생기고, 시료 표면의 굴곡이 생길 때마다 진동수가 변하고, 진폭의 변화로 Cantilever가 휘어진다.
Tapping Mode
- tip이 표면 위에서 큰 폭으로 진동한다. 그만큼 제어회로가 신호를 쉽게 감지하여, 빠르고 정확도가 높다.
- 일반적으로 많이 쓰이나. tip과 시료 표면이 많이 접촉하여, 손상이 일어난다는 단점이 있다.
EFM(Electric force microscope)
- 이외에도 tip에 전류를 인가하여, 표면과 tip 사이에 정전력을 측정하고, 전기적 특성의 차이를 이미지화시키는 정전력 현미경이 있다.
구세대 AFM의 경우 XYZ 축이 하나의 튜브 형태로 되어있었다. 이 때문에 스캔 시, Background curvature(왜곡)이 생기는 단점이 있었는데, 최근 X, Y축으로 움직이는 Flat Scanner와, Z축의 나노 단위의 tip으로 나눠 보다 정확한 정보를 스캔할 수 있다.
AFM 기술이 많이 좋아졌고, 표면 형상을 스캔하는 데는 많이 이용하지만 아직 그래도 SEM과 TEM 사용이 우세한 것으로 보인다.
'과학과 공학 이야기 > 반도체와 디스플레이' 카테고리의 다른 글
| 드롭 캐스팅(drop castong) 원리, 스핀코팅(spin coating) 원리, drop casting 뜻과 spin coaintg 뜻을 알아보자. (1) | 2022.06.20 |
|---|---|
| 전류/전압 측정 방법과 반도체 I-V 특성 곡선 (0) | 2022.04.07 |
| 삼성디스플레이 에코스퀘어 정의와 원리 정리 (0) | 2021.10.15 |
| 심박수 센서와 심전도 센서의 원리 (2) | 2021.09.22 |
| 아이폰 페이스 아이디 안면 인식 원리, 애플 페이스 아이디 (0) | 2021.09.20 |
댓글