작은 시료를 Air-STM을 통해 주변환경을 통제한 Clear한 실험환경에서 원자와 probe간에 흐르는 터널 전류를 측정하여 Grahpite의 표면을 관찰한다.
주사탐침현미경(SPM)
물질의 표면특성을 원자단위까지 측정할 수 있는 새로운 개념의 원자현미경을 총칭하는 용어이다. 원자현미경은 최고 수천만 배로서, 개개의 원자까지도 관찰할 수 있다.
SPM의 종류에는 주사터널현미경(STM), 원자힘현미경(AFM) 등이 있다. 원자현미경은 진공 상태는 물론 대기 중이나 액체 내를 관찰할 수 있어 나노재료와 함께 살아있는 세포 내의 구조나 세포 분열 등의 연구가 가능하다.
STM의 기본원리는 아주 간단하다. 가느다란 텅스텐 선을 전기화학적으로 식각하면 그 끝이 아주 뾰족하게 되어 맨 끝에는 원자 몇 개만 남아 있게 된다. 이처럼 예리한 바늘을 고온에서 강한 전기장으로 처리하고 부식에 의한 산화 막을 없애면 훌륭한 STM 탐침이 된다. 이러한 탐침을 전도체 시료 표면에 원자 한두 개 크기의 간격으로 가까이 접근시키고 양단에 적당한 전압을 걸어주면 시료와 검침사이에서 전류가 흐르게 된다. STM에서의 이미지는 이 전류를 일정하게 유지하면서 검침이 X, Y방향으로 이동하여 검침 높이의 공간적인 분포를 측정하면서 얻어진다.
앞에서 말한 전류를 터널전류라고 한다. 양자 상태에서 보여지는 특이한 현상중에 터널현상이라는 것이 있다. 어떠한 확률로 장벽을 통과하는 현상인데 이 터널효과에 의한 전하의 흐름은 터널전류라 하고, 주사형 터널링 현미경(STM)은 이 현상을 이용하고 있다.
STM장치의 오차는 주로 전류 증폭 과정에서 발생한다. Tunneling에 의해 발생하는 전류는 매우 작기 때문에, 증폭 과정을 거치며, 이 때 발생하는 전류의 noise로 인해 수직 오차 (δz)가 발생한다. 수직 오차의 크기는 주로 z값의 평균에 대한 최소 자승법으로 얻어진 표본편차를 이용한다. STM은 prove(tip)을 지탱하는 컨틸레 과정에서 발생하는 noise에 의하여δIt 의 편차가 발생하면, 이로 인한 수직오차는 다음과 같다.
일반적으로 tip과 표면 원자와의 거리가 가까워질수록 It는 급격히 증가한다.
실험 방법
1. 실험 과정
1) 본 실험은 Air-STM을 이용하여 Graphite의 표면을 관찰할 것이다. 측정할 Graphite은 6개의 탄소원자가 고리 모양으로 배열되어 있는 층상구조이다.
2) 실험에 앞서기 전에 본 테마는 주변환경의 영향을 크게 받으므로 외부의 진동, 방해요소들을 통제한후 정숙한 환경을 조성한 뒤 실험에 임해야 한다.
3) 먼저 easyScan을 인스톨 한다. Pt/Ir iwre를 half-round pliers로 약 7㎜정도 절단한다. 와이어 커터를 이용하여 Tip의 끝부분을 날카롭게 만든다. 이때 절단한 부분은 물리적인 접촉을 삼가야 한다. Tip holder에 Tip을 장착하여 STM Tip을 만든다.
4) 깨끗한 Graphite 샘플을 준비한다. 이때 지문이 묻지 않도록 한다. 샘플 홀더를 꺼내어 준비한 샘플을 tweezers를 사용하여 장착한다. 지금까지 모든 준비과정은 깨끗한 상태에서 이루어져야 한다.
5) STM의 파워 스위치를 켜고 scan program을 불러온다. 플라스틱 커버에 위치한 돋보기를 사용하여 Tip과 sample과의 거리를 눈으로 확인하며 approach panel의 -z방향 화살표를 이용하여 샘플 홀더를 Tip에 가까이 가져간다.
6) Feedback panel에 위치한 SetPoint값으로 터널 전류가 Tip과 샘플사이에 흐르고 있음을 알 수 있다. 이는 green LED로 확인할 수 있다. Scan panel의 스타트 버튼을 눌러 샘플 표면을 스캔한다. 이때 스캔의 범위를 바꿔가며 그에 따른 표면을 확인해본다.
실험 결과(예상)
본 실험은 주변환경의 영향을 매우 많이 받기 때문에 낮보다는 새벽에 실험을 하는것이 보다 오차가 없는 결과를 얻을 수 있을 것이다.
처음 스캔한 화면은 스캔 범위가 매우 클것이고 서서히 그 범위가 좁혀지면서 자세하게 표면을 측정할 수 있을 것이다. 6.25㎚에서 부터는 흐릿하게 벌크모양이 있다는 것을 확인할수 있고 1.56㎚까지 줄이면 확실한 벌크모양의 탄소원자모형을 관찰할 수 있을 것이다.
댓글