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admin

2017-01-16 11:20:57

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주사프로브현미경[scanning probe microscope, SPM]

그림에 나타난 것처럼, 어느 물리량을 측정하는 미소(微小) 센서프로브의 선단을 측정시료의 표면을 스칠 듯이 가깝고, 피에조소자 등에 의해 나노미터(nm) 오더의 초정밀로 제어하여 주사함으로써 시료의 표면구조를 관찰하는 현미경을 총칭하여 주사프로브현미경이라고 부른다. 측정하는 물리량으로 1nm 이하로 접근시킨 시료와 프로브 사이에 일함수 이하의 전위차를 걸었을 때 흐르는 양자역학적 효과인 터널전류를 사용하는 주사식터널현미경(scanning tunneling microscope；STM)이 최초로 발명된 SPM이다. 이 STM은 스위스의 IBM취리히연구소의 비니히(G. Binnig)와 로러(H. Rohrer)에 의해 1981년에 개발된 것으로, (1) 표면의 평균적 정보만이 아닌 원자스케일의 분해능을 가진 실공간에서의 표면연구 수법이다. (2) 진공 속은 당연한 것, 투과식전자현미경(TEM) 등 통상의 전자현미경과는 달리 대기 또는 액체 속에서 사용이 가능하고, 최근 초임계 유체 속이나 플라스마 속의 사용도 보고되고 있다. (3) 원자스케일의 구조관찰에 관계 없이 표면전자상태측정(스펙트로스코피) 또는 원자․분자 머니퓰레이션 등의 재료창제(프로세싱) 등에 대한 응용이 가능, 등의 획기적인 특징에서 재료과학 분야를 필두로 물리, 화학, 생명과학 등 다방면의 분야로서 현재 널리 쓰이고 있다. 다른 표면분석장치와 비교하여 기계구성이 매우 심플하여 초기경에 시판되는 수천만엔의 STM장치도 현재 대기 중 전용인 것으로 100만엔 정도인 것도 있다. STM의 개발에 대해 1986년에는 2인에게 노벨물리학상이 주어졌다.

한편 프로브와 시료 사이에 원자간힘을 피에조소자 등으로 시료의 표면구조를 관찰하는 SPM을 원자간력현미경(atomic force microscope；AFM)이라고 한다. AFM은 STM과 마찬가지로 금속을 비롯하여 반도체나 절연체의 표면구조를 원자레벨에도 달하는 고분해능으로 조사하는 연구에 사용되고 있다. 특히 전기전도성 시료만을 측정대상으로 하는 STM과 달리 생체물질 등의 절연체에 대해 거의 유일한 고분해능현미경이다. 시료 표면에 대해 수직방향의 힘을 검출하는 이 AFM 이외에도 시료 표면에 평행한 마찰력을 검출하는 현미경(마찰력현미경；friction force microscope；FFM) 또는 자기적인 힘에 관한 현미경(자기간력현미경；magnetic force microscope；MFM) 등도 개발되고 있는데, 이들은 주사력현미경(scanning force microscope；SFM)과 일괄하여 불리우고 있다. 다시 AFM을 이용한 초미소경도시험장치 개발 등 미세영역의 역학물성 측정에 대한 응용도 진행되고 있다.

그밖에도 주사형근접시야광학현미경(scanning near field optical microscope；SNFOM) 등 많은 SPM의 동류가 개발되고 있어 근년 발전이 뚜렷한 나노테크놀러지의 강력한 연구수법이 되고 있다.