원자력 현미경(AFM)은 고감도 마이크로 캔틸레버의 한 끝을 고정하고, 다른 끝에 위치한 작은 탐침 팁이 샘플 표면에 부드럽게 접촉하게 됩니다. 탐침 팁과 샘플 표면의 원자들 간의 매우 약한 반발력으로 인해, 이 힘의 일정성을 스캔 동안 제어함으로써, 탐침 팁이 샘플 표면 위에서 수직으로 진동하게 됩니다. 이 진동은 탐침 팁과 샘플 표면의 원자들 간의 상호작용력에 해당하는 등전위 표면에 대응합니다. 광학 탐지 또는 터널링 전류 탐지 방법을 사용하여 각 스캔 지점에서 마이크로 캔틸레버의 위치 변화가 측정되며, 이를 통해 샘플의 표면 형상에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.
원자력 현미경의 주요 구성 요소에는 탐침, 탐침 위치 조정 및 스캔 메커니즘, 힘 탐지 부문, 피드백 제어 유닛 등이 포함됩니다. 탐침 재료는 더 단단한 금속이어야 하며, 텅스텐 와이어가 가장 일반적으로 사용되는 재료입니다. 전기화학적 에칭과 집중 이온 빔 가공을 통해 더 작은 팁 반경을 가진 탐침을 얻을 수 있습니다.
AFM은 세 가지 기본 이미징 모드를 제공합니다.
● 접촉 모드(Contact mode): 탐침 팁이 샘플과 부드럽게 "실제 접촉"하여 샘플 표면을 스캔하면서 접촉력에 의해 캔틸레버가 휘어지며, 이를 통해 샘플의 표면 프로파일을 얻습니다.
● 비접촉 모드(Non-contact mode): 비접촉 모드에서 탐침은 샘플 표면 위에서 진동하지만, 샘플과 접촉하지 않습니다. 탐지기는 샘플이 손상되지 않도록 반데르발스 힘 및 정전기적 힘과 같은 장거리 힘을 측정합니다.
● 탭핑 모드(Tapping mode): 탭핑 모드에서는 탐침이 일정한 주파수와 진폭으로 샘플 표면 위에서 진동하며, 샘플과 접촉하지 않습니다. 탐지기는 탐침의 강제 진동에서 발생하는 공명 주파수 및 진폭 변화를 감지하여 샘플의 표면 형상에 대한 정보를 얻습니다.
● 고해상도 공간 해상도: AFM은 원자 수준의 공간 해상도를 제공하며, 이상적인 조건에서 개별 원자의 배열 및 구조를 관찰할 수 있습니다.
● 비파괴적 측정: AFM의 측정 과정은 비파괴적이므로, 측정 중에 샘플이 변형되거나 손상되지 않으며, 이는 특히 섬세한 생물학적 샘플이나 연질 물질을 연구할 때 매우 중요합니다.
● 다양한 샘플에 대한 적용 가능성: AFM은 전도성 및 비전도성 물질, 고체 및 액체 환경, 그리고 실온 및 저온 샘플에도 적용 가능합니다.
● 다목적성: AFM은 표면 형상 이미징뿐만 아니라 기계적 특성(예: 경도, 탄성 계수) 및 전기적 특성(예: 전도성, 국소 전위) 측정에도 사용됩니다.
● 동적 및 정적 측정: AFM은 동적(예: 탭핑 모드) 및 정적(예: 접촉 모드) 측정을 수행할 수 있어, 다양한 측정 요구 사항과 샘플 특성에 적합합니다.
● 환경 적응성: AFM은 고습도, 고온, 저온, 다양한 화학적 환경 등 다양한 환경 조건에서 작동할 수 있어, 재료 과학 및 산업 응용 분야에서 매우 유용합니다.
● 간단한 샘플 준비: 복잡한 샘플 준비가 요구되는 다른 분석 기법들과 달리, AFM은 일반적으로 복잡한 샘플 준비 과정이 필요하지 않습니다.
● 다른 기법들과의 호환성: AFM은 라만 분광법, 적외선 분광법 등 다른 특성 분석 기법과 결합하여 더 포괄적인 샘플 정보를 제공할 수 있습니다.
AFM 이미지: 표면 대 부피 비율이 큰 물질
셀룰라아제의 실시간 AFM 관찰
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