주사 탐침 현미경

**주사 탐침 현미경** (scanning probe microscopy, **SPM**)은 표본을 스캔하는 물리적 탐침을 사용하여 표면 이미지를 형성하는 현미경학의 한 분야이다. SPM은 표면을 원자 수준에서 이미징하는 장비인 주사 터널링 현미경의 발명과 함께 1981년에 설립되었다. 최초의 성공적인 주사 터널링 현미경 실험은 게르트 비니히와 하인리히 로러에 의해 수행되었다. 그들의 성공의 핵심은 샘플과 탐침 사이의 간격 거리를 조절하기 위해 피드백 루프를 사용하는 것이었다.

많은 주사 탐침 현미경은 여러 상호작용을 동시에 이미지화할 수 있다. 이러한 상호작용을 사용하여 이미지를 얻는 방식을 일반적으로 모드라고 한다.

해상도는 기술마다 다소 다르지만, 일부 탐침 기술은 상당히 인상적인 원자 해상도에 도달한다. 이는 주로 압전 액추에이터가 전자 명령에 따라 원자 수준 또는 그 이상의 정밀도와 정확도로 움직임을 실행할 수 있기 때문이다. 이러한 기술 군은 "압전 기술"이라고 불릴 수 있다. 또 다른 공통점은 데이터가 일반적으로 2차원 데이터 포인트 그리드로 얻어지며, 가색상으로 컴퓨터 이미지처럼 시각화된다는 것이다.

## 확립된 유형

* AFM, 원자힘 현미경
** 접촉식 AFM
** 비접촉식 AFM
** 동적 접촉식 AFM
** 태핑 AFM
** AFM-IR
** CFM, 화학적 힘 현미경
** C-AFM, 전도성 원자힘 현미경
** EFM, 정전기력 현미경
** KPFM, 켈빈 탐침 힘 현미경
** MIM, 마이크로파 임피던스 현미경
** MFM, 자기력 현미경
** PFM, 압전 반응 힘 현미경
** PTMS, 광열 미세 분광법/현미경
** SCM, 주사 정전 용량 현미경
** SGM, 주사 게이트 현미경
** SQDM, 주사 양자점 현미경
** SVM, 주사 전압 현미경
** FMM, 힘 변조 현미경
** TAFM, 단층 촬영 AFM
* STM, 주사 터널링 현미경
** BEEM, 탄도 전자 방출 현미경
** ECSTM 전기화학 주사 터널링 현미경
** SHPM, 주사 홀 탐침 현미경
** SPSM 스핀 편극 주사 터널링 현미경
** PSTM, 광자 주사 터널링 현미경
** STP, 주사 터널링 전위차계
** SXSTM, 싱크로트론 X선 주사 터널링 현미경
* SPE, 주사 탐침 전기화학
** SECM, 주사 전기화학 현미경
** SICM, 주사 이온 전도도 현미경
** SVET, 주사 진동 전극 기술
** SKP, 주사 켈빈 탐침
** SECCM, 주사 전기화학 전지 현미경
* FluidFM, 유체 힘 현미경
* FOSPM, 특징 지향 주사 탐침 현미경
* MRFM, 자기 공명 힘 현미경
* NSOM, 근접장 주사 광학 현미경 (또는 SNOM, 주사 근접장 광학 현미경)
** nano-FTIR, 광대역 나노스케일 SNOM 기반 분광법
* SSM, 주사 SQUID 현미경
* SSRM, 주사 확산 저항 현미경
* SThM, 주사 열 현미경
* SSET 주사 단전자 트랜지스터 현미경
* STIM, 주사 열이온 현미경
* CGM, 전하 기울기 현미경
* SRPM, 주사 저항 탐침 현미경

## 이미지 형성
이미지를 형성하기 위해 주사 탐침 현미경은 표면 위에서 팁을 래스터 스캔한다. 래스터 스캔의 이산 지점에서 값이 기록된다(어떤 값인지는 SPM 유형과 작동 모드에 따라 다름, 아래 참조). 이 기록된 값은 최종 STM 이미지를 생성하기 위해 일반적으로 흑백 또는 주황색 색상 스케일을 사용하여 히트 맵으로 표시된다.

### 일정 상호작용 모드
일정 상호작용 모드("피드백 중"이라고도 함)에서는 피드백 루프를 사용하여 연구 중인 표면(z축)에 탐침을 물리적으로 더 가깝거나 멀게 이동시켜 일정한 상호작용을 유지한다. 이 상호작용은 SPM 유형에 따라 다르다. 주사 터널링 현미경의 경우 터널 전류이며, 접촉 모드 AFM 또는 MFM의 경우 외팔보 편향 등이다. 사용되는 피드백 루프 유형은 일반적으로 PI-루프인데, 이는 미분 이득이 0으로 설정된(PID-루프) 것이다(노이즈를 증폭시키므로). 팁의 z 위치(스캔 평면은 xy 평면)는 주기적으로 기록되어 히트 맵으로 표시된다. 이것은 일반적으로 지형 이미지라고 불린다.

이 모드에서는 "오류 신호" 또는 "오류 이미지"로 알려진 두 번째 이미지도 촬영된다. 이것은 피드백된 상호작용의 히트 맵이다. 완벽하게 작동하는 경우 이 이미지는 피드백 루프에 설정된 일정한 값의 빈 이미지일 것이다. 실제 작동에서는 이미지에 노이즈와 종종 표면 구조의 일부 표시가 나타난다. 사용자는 이 이미지를 사용하여 피드백 이득을 편집하여 오류 신호의 특징을 최소화할 수 있다.

이득이 잘못 설정되면 많은 이미징 아티팩트가 발생할 수 있다. 이득이 너무 낮으면 특징이 번져 보일 수 있다. 이득이 너무 높으면 피드백이 불안정해지고 진동하여 이미지에 실제가 아닌 줄무늬 특징을 생성할 수 있다.

### 일정 높이 모드
일정 높이 모드에서는 래스터 스캔 중에 탐침이 Z축으로 움직이지 않는다. 대신 연구 중인 상호작용의 값(예: STM의 터널 전류 또는 진폭 변조 비접촉 AFM의 외팔보 진동 진폭)이 기록된다. 이 기록된 정보는 히트 맵으로 표시되며, 일반적으로 일정 높이 이미지라고 불린다.

일정 높이 이미징은 탐침이 샘플 표면에 충돌할 가능성이 훨씬 높기 때문에 일정 상호작용 이미징보다 훨씬 어렵다. 일반적으로 일정 높이 이미징을 수행하기 전에 일정 상호작용 모드에서 이미징하여 이미징 영역에 큰 오염 물질이 없는지 확인하고, 샘플 기울기를 측정 및 보정하며, (특히 느린 스캔의 경우) 샘플의 열 드리프트를 측정 및 보정해야 한다. 압전 크리프도 문제가 될 수 있으므로, 현미경은 큰 움직임 후에 일정 높이 이미징을 수행하기 전에 안정화될 시간이 필요한 경우가 많다.

일정 높이 이미징은 피드백 아티팩트의 가능성을 제거하는 데 유리할 수 있다.

## 탐침 팁
SPM 탐침 팁의 특성은 전적으로 사용되는 SPM 유형에 따라 달라진다. 팁 모양과 샘플의 지형의 조합이 SPM 이미지를 구성한다. 그러나 특정 특성은 모든, 또는 적어도 대부분의 SPM에 공통적이다.

가장 중요한 것은 탐침이 매우 날카로운 정점을 가져야 한다는 것이다. 탐침의 정점은 현미경의 해상도를 결정하며, 탐침이 날카로울수록 해상도가 좋다. 원자 해상도 이미징을 위해서는 탐침이 단일 원자로 끝나야 한다.

많은 캔틸레버 기반 SPM(예: AFM 및 MFM)의 경우 전체 캔틸레버와 통합된 탐침은 일반적으로 질화규소로 산 [식각]에 의해 제작된다. STM 및 SCM 등을 위해 필요한 전도성 탐침은 일반적으로 대기 작동용으로는 백금/이리듐 와이어로, UHV 작동용으로는 텅스텐으로 제작된다. 금과 같은 다른 재료는 샘플 특정 이유로 또는 SPM이 TERS와 같은 다른 실험과 결합될 경우 사용되기도 한다. 백금/이리듐(및 기타 대기) 탐침은 일반적으로 날카로운 와이어 커터를 사용하여 절단되며, 최적의 방법은 와이어의 대부분을 절단한 다음 당겨서 나머지 와이어를 끊어 단일 원자 종결 가능성을 높이는 것이다. 텅스텐 와이어는 일반적으로 전기화학적으로 식각되며, 이후 산화층은 팁이 UHV 조건에 있을 때 제거되어야 한다.

SPM 탐침(구매한 것과 "자가 제작한" 것 모두)이 원하는 해상도로 이미징되지 않는 경우는 드물지 않다. 이는 팁이 너무 뭉툭하거나 탐침에 두 개 이상의 정점이 있는 경우 발생할 수 있으며, 이로 인해 이중 또는 고스트 이미지가 생성될 수 있다. 일부 탐침의 경우 팁 정점을 현장에서 수정하는 것이 가능하며, 이는 일반적으로 팁을 표면에 충돌시키거나 강한 전기장을 인가하여 수행된다. 후자는 팁과 샘플 사이에 바이어스 전압(약 10V)을 인가하여 달성되는데, 이 거리가 일반적으로 1-3 옹스트롬이므로 매우 강한 전기장이 생성된다.

전도성 탐침의 팁 정점에 양자점을 추가로 부착하면 높은 측면 해상도를 가진 표면 전위 이미징, 즉 주사 양자점 현미경이 가능해진다.

## 장점
이러한 현미경의 해상도는 회절에 의해 제한되지 않고 탐침-샘플 상호작용 부피(즉, 점 확산 함수)의 크기에 의해 제한되며, 이는 몇 피코미터만큼 작을 수 있다. 따라서  실리콘에서 135 피코미터 단계와 같은 객체 높이의 작은 국부적 차이를 측정하는 능력은 비할 데가 없다. 측면적으로 탐침-샘플 상호작용은 상호작용에 관련된 팁 원자 또는 원자들을 가로질러만 확장된다.

상호작용을 사용하여 샘플을 수정하여 작은 구조물을 만들 수 있다(주사 탐침 리소그래피).

전자 현미경 방법과 달리 시료는 부분 진공을 필요로 하지 않고 표준 온도 및 압력의 공기 중에서 또는 액체 반응 용기에 잠긴 상태에서 관찰할 수 있다.

## 단점
주사 팁의 상세한 모양은 때때로 결정하기 어렵다. 시료의 높이가 측면 거리 10 nm 이하에서 크게 변할 경우 결과 데이터에 미치는 영향이 특히 두드러진다.

주사 기술은 주사 과정으로 인해 일반적으로 이미지 획득 속도가 느리다. 결과적으로 주사 속도를 크게 향상시키기 위한 노력이 이루어지고 있다. 모든 주사 기술과 마찬가지로 공간 정보를 시간 순서로 내장하는 것은 시료 드리프트, 피드백 루프 진동 및 기계적 진동과 같은 시간 영역 효과로 인해 발생하는 측면 간격 및 각도 측정과 같은 측정 불확실성을 초래한다.

최대 이미지 크기는 일반적으로 더 작다.

주사 탐침 현미경은 매몰된 고체-고체 또는 액체-액체 계면을 검사하는 데 유용하지 않은 경우가 많다.

## 주사 광전류 현미경
주사 광전류 현미경은 주사 탐침 현미경(SPM) 계열의 한 구성원으로 간주될 수 있다. 다른 SPM 기술과 SPCM의 차이점은 탐침 팁 대신 초점 레이저 빔을 국부적인 여기 광원으로 활용한다는 점이다.

재료의 공간 분해 광학적 거동 특성화 및 분석은 광전자 산업에서 매우 중요하다. 간단히 말해서 이는 재료의 특성이 표면 또는 벌크 구조에 걸쳐 어떻게 달라지는지 연구하는 것을 포함한다. 공간 분해 광전자 측정을 가능하게 하는 기술은 광학 성능 향상에 귀중한 통찰력을 제공한다. 주사 광전자 현미경은 반도체 나노 구조에서 공간 분해 광전자 특성을 조사할 수 있는 강력한 기술로 부상했다.

### 원리
섬네일|주사 광전류 현미경의 레이저 스캔

주사 광전류 현미경에서는 초점 레이저 빔을 사용하여 반도체 재료를 여기시켜 엑시톤(전자-정공 쌍)을 생성한다. 이 엑시톤은 다양한 메커니즘을 거치며, 재결합이 일어나기 전에 근처 전극에 도달할 수 있으면 광전류가 생성된다. 이 광전류는 장치를 래스터 스캔할 때 위치에 따라 달라진다.

### 주사 광전류 현미경 분석
위치 의존적 광전류 맵을 사용하여 중요한 광전류 동역학을 분석할 수 있다.

주사 광전류 현미경은 소수 캐리어 확산 길이 및 재결합 동역학뿐만 아니라 국부 도핑 농도 및 내장 전기장과 같은 캐리어 수송에 대한 정보를 제공한다.

## 시각화 및 분석 소프트웨어
모든 경우에 광학 현미경과는 달리 이미지를 생성하기 위해 렌더링 소프트웨어가 필요하다.
이러한 소프트웨어는 장비 제조업체에서 생산 및 내장되지만, 전문 작업 그룹 또는 회사에서 액세서리로도 사용할 수 있다.
사용되는 주요 패키지는 무료 소프트웨어인 Gwyddion, WSxM (Nanotec 개발) 및 상용 소프트웨어인 SPIP (Image Metrology 개발), FemtoScan Online (Advanced Technologies Center 개발), MountainsMap SPM (Digital Surf 개발), TopoStitch (Image Metrology 개발)이다.

## 각주

## 더 읽어보기

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## 외부 링크
* 주사 탐침 현미경 - 내부 작동에 대한 애니메이션 설명 WeCanFigureThisOut.org
* 주사 탐침 현미경 - 압전 결정에 대한 애니메이션 설명 WeCanFigureThisOut.org