원자력 현미경법

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원자간력현미경(AFM) 또는 주사간력현미경(SFM)은 매우 고해상도 형태의 주사 탐침현미경(SPM)으로, 나노미터의 분수 단위로 분해능이 입증되어 광학 회절 한계보다 1000배 이상 뛰어납니다.

개요

원자간력현미경^[1](AFM)은 주사 탐침현미경(SPM)의 한 종류로, 광학 회절 한계보다 1,000배 이상 나은 나노미터의 분수 순서로 해상도가 입증되었습니다.정보는 기계식 프로브로 표면을 "느낌" 또는 "만짐"하여 수집됩니다.(전자) 명령에 따라 작지만 정확하고 정밀한 움직임을 용이하게 하는 압전 소자는 정밀한 스캐닝을 가능하게 합니다.이름에도 불구하고 원자력 현미경은 핵력을 사용하지 않습니다.

능력

AFM에는 세 가지 주요 능력이 있습니다: 힘 측정, 지형 촬영, 조작.

힘 측정에서 AFM은 프로브와 샘플 사이의 힘을 상호 분리의 함수로 측정하는 데 사용될 수 있습니다.이것은 힘 분광법을 수행하고 시료의 기계적 특성을 측정하는 데 적용될 수 있습니다. 예를 들어 시료의 영률(강성을 측정하는 데 사용됩니다.

이미징을 위해 샘플이 가하는 힘에 대한 프로브의 반응을 사용하여 샘플 표면의 3차원 형상(지형)의 이미지를 고해상도로 형성할 수 있습니다.이는 팁을 기준으로 검체 위치를 래스터 스캔하고 일정한 프로브-시료 상호 작용에 해당하는 프로브의 높이를 기록함으로써 달성됩니다(자세한 내용은 § Topographic image 참조).표면 지형은 일반적으로 유사 색상 그림으로 표시됩니다.

1986년 Binnig, Quate 및 Gerber에 의한 원자력 현미경에 대한 최초의 출판은 원자 분해능 달성 가능성에 대해 추측했지만, 주변(액체) 조건에서 결함 및 계단 가장자리의 원자 분해능이 1993년 Ohnesorge 및 Binnig에 의해 입증되기 전에 극복해야 할 심오한 실험적 도전이 입증되었습니다.^[2]실제 실리콘 7x7 표면의 원자 해상도(STM에 의해 얻어진 이 표면의 원자 이미지)는 스캔 터널링 현미경의 놀라운 공간 해상도를 과학계에 확신을 주었습니다. Giessibl에 의해 보여지기까지 조금 더 기다려야 했습니다.^[3]

조작 시 팁과 검체 사이의 힘을 사용하여 검체의 특성을 제어된 방식으로 변경할 수도 있습니다.이러한 예로는 원자 조작, 주사 탐침 리소그래피, 세포의 국소 자극 등이 있습니다.

지형 이미지 획득과 동시에 샘플의 다른 속성을 로컬에서 측정하여 이미지로 표시할 수 있으며, 종종 유사하게 높은 해상도로 표시할 수 있습니다.그러한 특성의 예로는 강성 또는 접착 강도와 같은 기계적 특성과 전도성 또는 표면 전위와 같은 전기적 특성이 있습니다.^[4]사실, SPM 기법의 대부분은 이 모달리티를 사용하는 AFM의 확장입니다.^[5]

기타 현미경 기술

원자력 현미경과 광학 현미경과 전자 현미경과 같은 경쟁 기술의 가장 큰 차이점은 AFM이 렌즈나 빔 조사를 사용하지 않는다는 것입니다.따라서 회절 및 수차에 따른 공간 해상도의 제한을 받지 않으며, 빔을 안내하기 위한 공간을 마련(진공을 만들어)하고 시료를 염색할 필요가 없습니다.

주사 탐침 현미경(AFM, 주사 터널링 현미경(STM) 및 근거리 주사 광학 현미경(SNOM/NSOM), STED 현미경(STED) 및 주사 전자 현미경 및 전기 화학 AFM, EC-AFM)을 포함한 여러 종류의 주사 현미경이 있습니다.SNOM과 STED는 가시광선, 적외선 또는 심지어 테라헤르츠 빛을 사용하여 샘플을 비추지만, 분해능은 회절 한계에 의해 제한되지 않습니다.

배열

그림 3은 일반적으로 다음과 같은 특징으로 구성된 AFM을 보여줍니다.^[6]괄호 안의 숫자는 그림 3의 번호부 특징에 해당합니다. 좌표 방향은 좌표계 (0)에 의해 정의됩니다.

지지대(2)는 스프링과 같은 작은 캔틸레버(1)를 운반합니다.선택적으로, 압전 소자(통상적으로 세라믹 재료로 제조됨)(3)는 캔틸레버(1)를 진동시킵니다.날카로운 팁(4)은 캔틸레버(1)의 자유단에 고정됩니다.검출부(5)는 캔틸레버(1)의 편향 및 움직임을 기록합니다.시료(6)는 시료 스테이지(8)에 장착됩니다.xyz 드라이브(7)는 팁 정점(4)에 대해 샘플(6) 및 샘플 스테이지(8)를 x, y, z 방향으로 변위시킬 수 있습니다.그림 3에는 샘플에 부착된 드라이브가 나와 있지만, 제어가 필요한 것은 샘플과 팁의 상대적인 변위이기 때문에 드라이브를 팁에 부착할 수도 있고 독립적인 드라이브를 둘 다 부착할 수도 있습니다.컨트롤러와 플로터는 그림 3에 표시되어 있지 않습니다.

상술한 구성에 따르면, 원자 스케일 현상일 수 있는 팁과 샘플의 상호작용은 매크로 스케일 현상인 캔틸레버의 움직임 변화로 변환되는 것을 특징으로 하는 방법.팁과 샘플 사이의 상호 작용, 가장 일반적으로 편향 값, 캔틸레버의 인가된 진동 진폭 또는 캔틸레버의 공진 주파수 이동을 정량화하는 데 캔틸레버 운동의 여러 가지 다른 측면을 사용할 수 있습니다(섹션 이미징 모드 참조).

디텍터

AFM의 디텍터(5)는 캔틸레버의 편향(평형 위치에 대한 변위)을 측정하여 전기 신호로 변환합니다.이 신호의 강도는 캔틸레버의 변위에 비례합니다.

간섭계, 광학 레버, 압전 방식 및 STM 기반 검출기와 같은 다양한 검출 방법이 사용될 수 있습니다(섹션 "AFM 캔틸레버 편향 측정" 참조).

이미지형성

이 섹션은 특히 § 연락처 모드의 이미징에 적용됩니다.다른 영상 촬영 모드의 경우 "편향"을 적절한 피드백 변수로 대체해야 한다는 점을 제외하고는 프로세스가 유사합니다.

AFM을 사용하여 샘플을 이미지화할 때 팁이 샘플에 접촉되고 샘플은 x-y 그리드를 따라 래스터 스캔됩니다(그림 4).가장 일반적으로, 전자 피드백 루프는 스캔하는 동안 프로브-샘플 힘을 일정하게 유지하기 위해 사용됩니다.이 피드백 루프는 입력으로서 캔틸레버 편향을 가지며, 그 출력은 프로브 지지부(도 3의 2)와 샘플 지지부(도 3의 8) 사이의 z축을 따라 거리를 조절합니다.팁이 검체와 접촉한 상태를 유지하고 검체를 x-y 평면으로 스캔하는 한 검체의 높이 변화에 따라 캔틸레버의 편향이 변경됩니다.그런 다음 피드백은 프로브 지지대의 높이를 조정하여 편향이 사용자 정의 값(설정점)으로 복원되도록 합니다.적절히 조정된 피드백 루프는 스캔 동작 중에 서포트-샘플 분리를 연속적으로 조정하여 편향이 거의 일정하게 유지됩니다.이 경우 피드백 출력은 표본 표면 지형과 작은 오차 내에서 일치합니다.

역사적으로, 샘플-프로브 지지 거리가 일정하게 유지되고 피드백(servo mechanism)에 의해 제어되지 않는 다른 작동 방법이 사용되었습니다.보통 "상고 모드"라고 불리는 이 모드에서 캔틸레버의 편향은 샘플 x-y 위치의 함수로 기록됩니다.팁이 검체와 접촉하는 한 편향은 표면 지형에 해당합니다.팁과 샘플 사이의 힘이 조절되지 않아 팁이나 샘플이 손상될 수 있을 만큼 높은 힘으로 이어질 수 있기 때문에 이 방법은 이제 덜 일반적으로 사용됩니다.^{[citation needed]}그러나 "일정한 힘 모드"에서 스캔할 때에도 피드백과 함께 편향을 기록하는 것이 일반적인 관례입니다.이를 통해 피드백의 작은 추적 오류가 드러나고 피드백이 조정할 수 없었던 특징이 드러날 수 있습니다.

샘플 높이 또는 캔틸레버 편향과 같은 AFM 신호는 x-y 스캔 중에 컴퓨터에 기록됩니다.각 픽셀은 샘플의 x-y 위치를 나타내고 색상은 기록된 신호를 나타내는 유사 색상 이미지로 표시됩니다.

역사

AFM은 1985년 IBM 과학자들에 의해 발명되었습니다.^[7]AFM의 전신인 주사 터널 현미경(STM)은 1980년대 초 IBM Research – Zurich에서 Gerd Binnig와 Heinrich Rohrer에 의해 개발되었으며, 이 개발로 1986년 노벨 물리학상을 수상했습니다.Binnig는 원자력 현미경을 발명했고^[6] 첫번째 실험적인 구현은 Binnig, Quate 그리고 Gerber에 의해 1986년에 이루어졌습니다.^[8]

상업적으로 이용 가능한 최초의 원자력 현미경은 1989년에 소개되었습니다.AFM은 나노 스케일에서 물질을 이미지화하고 측정하고 조작하는 가장 중요한 도구 중 하나입니다.

적용들

AFM은 고체 물리학, 반도체 과학 및 기술, 분자 공학, 고분자 화학 및 물리학, 표면 화학, 분자 생물학, 세포 생물학 및 의학을 포함한 광범위한 자연 과학 분야의 문제에 적용되어 왔습니다.

고체 물리학 분야의 응용 분야에는 (a) 표면의 원자를 식별하는 것, (b) 특정 원자와 그 주변 원자들 사이의 상호작용의 평가, 그리고 (c) 원자 조작을 통한 원자 배열의 변화로부터 발생하는 물리적 특성의 변화에 대한 연구가 포함됩니다.

분자생물학에서 AFM은 단백질 복합체와 결합체의 구조와 기계적 특성을 연구하는 데 사용될 수 있습니다.예를 들어, AFM은 미세관을 이미지화하고 그 강성을 측정하는 데 사용되어 왔습니다.

세포생물학에서, AFM은 세포의 경도에 기초하여 암세포와 정상 세포를 구별하고 경쟁적인 배양 시스템에서 특정 세포와 이웃 세포 사이의 상호작용을 평가하기 위해 사용될 수 있습니다.AFM은 또한 세포막 또는 벽의 강성이나 모양을 조절하는 방법을 연구하기 위해 세포를 들여보내는 데 사용될 수 있습니다.

일부 변형에서는 전도성 캔틸레버를 사용하여 전위를 스캔할 수도 있습니다.더 진보된 버전에서는 전류를 팁에 통과시켜 전기 전도도나 기저 표면의 전송을 조사할 수 있지만, 이는 일관된 데이터를 보고하는 연구 그룹이 거의 없는 어려운 작업입니다(2004년 기준).^[9]

원칙

AFM은 검체 표면을 스캔하는 데 사용되는 날카로운 끝(프로브)이 끝에 있는 캔틸레버로 구성되어 있습니다.캔틸레버는 일반적으로 실리콘 또는 실리콘 질화물로서 나노미터 단위의 팁 곡률 반경을 갖습니다.팁이 샘플 표면에 근접하면 후크의 법칙에 따라 팁과 샘플 사이의 힘이 캔틸레버의 편향을 초래합니다.^[10]상황에 따라 AFM에서 측정되는 힘에는 기계적 접촉력, 반데르발스 힘, 모세관 힘, 화학적 결합, 정전기력, 자기력(자기력 현미경, MFM 참조), 카시미르 힘, 용해력 등이 있습니다.특수한 유형의 프로브를 사용하여 힘과 함께 추가적인 양을 동시에 측정할 수 있습니다(스캔 열 현미경, 스캔 줄 확장 현미경, 광열 현미경 등 참조).

AFM은 용도에 따라 다양한 모드로 작동할 수 있습니다.일반적으로, 가능한 이미징 모드는 캔틸레버가 특정 주파수에서 진동 또는 진동되는 정적(접촉 또는 "탭핑") 모드 및 다양한 동적(비접촉 또는 "탭핑") 모드로 구분됩니다.^[8]

영상모드

AFM 동작은 팁 동작의 특성에 따라 보통 세 가지 모드 중 하나로 설명됩니다. 접촉 모드는 정적 모드라고도 불리며(다른 두 모드와는 반대로 동적 모드라고도 함), 탭핑 모드는 간헐적 접촉, 교류 모드 또는 진동 모드라고도 불리며, 검출 메커니즘 이후 진폭 변조 AFM; 및 n온-접촉 모드, 또는 감지 메커니즘, 주파수 변조 AFM 이후에 다시.

명명법에도 불구하고 설정에 따라 진폭 변조 AFM과 주파수 변조 AFM에서 모두 반발 접촉이 발생하거나 피할 수 있습니다.^{[citation needed]}

연락처모드

접촉 모드에서 팁은 샘플의 표면을 가로질러 "끌려"지고 표면의 윤곽은 캔틸레버의 편향을 직접 사용하거나 캔틸레버를 일정한 위치에 유지하는 데 필요한 피드백 신호를 사용하여 측정됩니다.정적 신호의 측정은 잡음 및 드리프트가 발생하기 쉬우므로, 낮은 강성 캔틸레버(즉, 스프링 상수가 낮은 캔틸레버, k)를 사용하여 상호작용력을 낮게 유지하면서 충분히 큰 편향 신호를 얻을 수 있습니다.샘플의 표면에 가까이 있으면 인력이 상당히 강하여 팁이 표면에 "스냅인" 상태가 될 수 있습니다.따라서 접촉 모드 AFM은 거의 항상 전체적인 힘이 반발하는 깊이, 즉 고체 표면과의 견고한 "접촉"에서 수행됩니다.

태핑모드

주변 환경에서는 대부분의 샘플에서 액체 메니스커스 층이 형성됩니다.이 때문에 프로브 팁을 샘플에 충분히 근접시켜 근거리 힘을 감지할 수 있을 정도로 유지하면서 팁이 표면에 달라붙는 것을 방지하면 주변 조건에서 접촉 모드에 큰 문제가 발생합니다.동적 접촉 모드(간헐적 접촉, AC 모드 또는 탭핑 모드라고도 함)는 이 문제를 회피하기 위해 개발되었습니다.^[12]요즘은 주변 환경이나 액체 상태에서 작동할 때 가장 많이 사용되는 AFM 모드입니다.

탭핑 모드에서는 캔틸레버를 구동하여 공진 주파수 또는 그 근처에서 상하로 진동시킵니다.이 진동은 일반적으로 캔틸레버 홀더에 있는 작은 피에조 소자를 사용하여 이루어지지만, 다른 가능성으로는 AC 자기장(자기 캔틸레버 포함), 압전 캔틸레버 또는 변조된 레이저 빔을 사용한 주기적 가열이 있습니다.이 진동의 진폭은 보통 수 nm에서 200 nm까지 다양합니다.탭핑 모드에서는 구동 신호의 주파수와 진폭이 일정하게 유지되어 표면과 드리프트 또는 상호작용이 없는 한 캔틸레버 진동의 진폭이 일정하게 유지됩니다.팁이 표면에 가까워질 때 캔틸레버에 작용하는 힘, 반데르발스 힘, 쌍극자-쌍극자 상호작용, 정전기력 등의 상호작용은 팁이 샘플에 가까워질수록 캔틸레버 진동의 진폭이 변화(보통 감소)합니다.이 진폭은 시료 위 캔틸레버의 높이를 조절하는 전자 서보에 들어가는 파라미터로 사용됩니다.서보는 샘플 위에서 캔틸레버를 스캔할 때 설정된 캔틸레버 진동 진폭을 유지하도록 높이를 조정합니다.따라서 Tapping AFM 이미지는 팁이 샘플 표면과 간헐적으로 접촉하는 힘을 이미징하여 생성됩니다.^[13]

진동의 접촉 부분 동안 가해지는 피크 힘은 접촉 모드에서 일반적으로 사용되는 것보다 훨씬 높을 수 있지만, 탭핑 모드는 일반적으로 접촉 모드에서 수행되는 양에 비해 표면과 팁에 가해지는 손상을 줄입니다.이는 가해진 힘의 지속 시간이 짧으며 접촉 모드에 비해 팁과 샘플 사이의 측면 힘이 상당히 낮기 때문으로 설명할 수 있습니다.탭핑 모드 이미징은 액체 매체 하에서 지지된 지질 이중층 또는 흡착된 단일 중합체 분자(예를 들어, 합성 폴리 전해질의 0.4 nm 두께 사슬)의 가시화에도 충분히 부드럽습니다.적절한 스캔 파라미터를 사용하면 단일 분자의 형상은 몇 시간 동안 변하지 않고,^[11] 심지어 단일 분자 모터도 이동 중에 이미지화될 수 있습니다.

탭핑 모드로 동작할 때, 구동 신호에 대한 캔틸레버의 진동의 위상도 기록할 수 있습니다.이 신호 채널에는 각 발진 사이클에서 캔틸레버에 의해 소멸되는 에너지에 대한 정보가 포함되어 있습니다.다양한 강성 또는 접착 특성이 다른 영역을 포함하는 샘플은 이 채널에서 지형 이미지에서 볼 수 없는 대비를 제공할 수 있습니다.그러나, 샘플의 재료 특성을 위상 이미지로부터 정량적으로 추출하는 것은 종종 불가능합니다.

비접촉모드

비접촉 원자력 현미경 모드에서는 캔틸레버 끝이 검체 표면에 닿지 않습니다.대신에 캔틸레버는 공진 주파수(주파수 변조) 또는 진동 진폭이 일반적으로 수 나노미터(<10 nm)에서 수 피코미터로 감소하는 진폭 변조(amplitude modulation)에서 진동합니다.^[14]표면 위에서 1 nm에서 10 nm까지 가장 강한 반데르발스 힘 또는 표면 위로 뻗어 있는 다른 장거리 힘은 캔틸레버의 공진 주파수를 감소시키는 작용을 합니다.피드백 루프 시스템과 결합된 이러한 공진 주파수의 감소는 평균 팁-샘플 거리를 조정함으로써 일정한 발진 진폭 또는 주파수를 유지합니다.각 (x,y) 데이터 지점에서 팁-샘플 거리를 측정하면 스캔 소프트웨어가 샘플 표면의 지형 이미지를 구성할 수 있습니다.

비접촉 모드 AFM은 접촉 AFM으로 여러 번 스캔한 후에 가끔 관찰되는 팁이나 샘플 저하 효과를 겪지 않습니다.이로 인해 비접촉 AFM은 생물학적 샘플 및 유기 박막과 같은 부드러운 샘플을 측정하기 위해 AFM과 접촉하는 것이 좋습니다.강체 샘플의 경우 접촉 이미지와 비접촉 이미지가 동일하게 보일 수 있습니다.그러나 몇 개의 단일층의 흡착된 유체가 단단한 샘플의 표면에 놓여 있다면 이미지가 상당히 다르게 보일 수 있습니다.접촉 모드에서 작동하는 AFM은 액체 층을 관통하여 하부 표면을 이미지화하는 반면, 비접촉 모드에서는 AFM이 흡착된 유체 층 위에서 진동하여 액체와 표면을 이미지화합니다.

동적 모드 동작을 위한 방법은 위상 고정 루프를 사용하여 캔틸레버의 공진 주파수를 추적하는 주파수 변조 및 캔틸레버의 여기를 정의된 진폭으로 유지하기 위한 서보 루프를 갖는 더 일반적인 진폭 변조를 포함합니다.주파수 변조에서 발진 주파수의 변화는 팁-샘플 상호작용에 대한 정보를 제공합니다.주파수는 매우 높은 감도로 측정할 수 있으므로 주파수 변조 모드를 사용하면 매우 단단한 캔틸레버를 사용할 수 있습니다.단단한 캔틸레버는 표면에 매우 가까운 안정성을 제공하며, 결과적으로 이 기술은 초고진공 조건에서 진정한 원자 분해능을 제공하는 최초의 AFM 기술이었습니다.^[15]

진폭 변조에서 발진 진폭 또는 위상의 변화는 이미징을 위한 피드백 신호를 제공합니다.진폭 변조에서는 표면의 여러 종류의 물질을 구별하기 위해 진동 위상의 변화를 사용할 수 있습니다.진폭 변조는 비접촉 또는 간헐적 접촉 영역에서 작동할 수 있습니다.동적 접촉 모드에서는 캔틸레버 팁과 샘플 표면 사이의 이격 거리가 변조되도록 캔틸레버가 진동합니다.

진폭 변조는 또한 초고진공 환경에서 매우 뻣뻣한 캔틸레버와 작은 진폭을 사용하여 원자 해상도로 이미지화하기 위해 비접촉 영역에서 사용되었습니다.

지형이미지

이미지 형성은 측정된 변수, 즉 제어 신호의 세기를 각각의 x-y 좌표로 스캔하고 기록하는 동안 팁의 x-y 위치를 변경하여 색상 매핑을 생성하는 플롯팅 방법입니다.색상 매핑은 각 좌표에 해당하는 측정값을 보여줍니다.이미지는 값의 강도를 색상으로 표현합니다.일반적으로 값의 강도와 색상 간의 대응 관계는 이미지와 함께 제공되는 설명 노트에 색상 척도로 표시됩니다.

AFM의 영상 형성 동작 모드는 일반적으로 z-피드백 루프(도시되지 않음)를 사용하여 팁 샘플 거리를 유지하여 디텍터에서 내보내는 신호 강도를 유지하는지 여부에 따라 두 그룹으로 분류됩니다.첫 번째 것(z-Feedback loop 사용)은 "상수 XX 모드"(XX는 z-Feedback loop에 의해 유지되는 것입니다.

지형 이미지 형성 모드는 위에서 언급한 "상수 XX 모드"를 기반으로 하며, z-피드백 루프는 제어 신호를 출력하여 프로브와 샘플 사이의 상대적인 거리를 제어하여 통상적으로 캔틸레버의 움직임에 대응하는 주파수, 진동 및 위상 중 하나를 일정하게 유지합니다(예를 들어,Z 압전 소자에 전압이 인가되고 Z 방향으로 샘플을 상하로 이동시킵니다.

FM-AFM 지형영상

캔틸레버가 고유진동수(f₀)로 여기된 상태에서 탐침과 시료 사이의 거리가 원자력이 검출될 수 있는 범위에 도달하면, 캔틸레버의 공진주파수(f)가 원래 공진주파수에서 이동할 수 있습니다.즉, 원자력이 검출될 수 있는 범위에서는 주파수 이동(df = f–f)도 관찰됩니다.프로브와 샘플 사이의 거리가 비접촉 영역에 있을 때, 프로브와 샘플 사이의 거리가 작을수록 주파수 이동이 음의 방향으로 증가합니다.

시료에 오목성과 볼록성이 있는 경우, 팁 에이펙스와 시료 사이의 거리는 x-y 방향을 따라 시료를 스캔할 때 수반되는 오목성과 볼록성에 따라 달라집니다(z 방향으로 높이 조절 없이).결과적으로 주파수 이동이 발생합니다.표본 표면의 x-y 방향을 따라 래스터 스캔을 통해 얻은 빈도 값이 각 측정 지점의 x-y 좌표에 대해 플롯되는 이미지를 상수 높이 이미지라고 합니다.

한편, x-y 방향을 따라 샘플 표면을 래스터 스캔하는 동안 음의 피드백(z-feedback loop 사용)을 사용하여 프로브를 z 방향으로 상하로 이동시킴으로써 df를 일정하게 유지할 수 있습니다.음의 피드백 양(프로브의 z 방향 상하 이동 거리)이 각 측정 지점의 x-y 좌표에 대해 플롯된 이미지는 지형 이미지입니다.즉, 지형 이미지는 df가 일정하도록 조정된 프로브의 끝 부분의 흔적이며, 또한 df의 일정한 높이 표면의 그림으로 간주될 수도 있습니다.

따라서 AFM의 지형 이미지는 정확한 표면 형태 자체가 아니라 실제로 탐침과 시료 사이의 결합 차수에 영향을 받는 이미지이지만, AFM의 지형 이미지는 스캐닝 터널 현미경의 지형 이미지보다 표면의 지리적 형상을 더 많이 반영하는 것으로 간주됩니다.

힘 분광법

영상 촬영 이외에도 AFM은 팁과 샘플 사이의 간격에 대한 함수로 팁-샘플 상호작용력을 직접 측정하는 힘 분광기에 사용할 수 있습니다.이 측정 결과를 힘-거리 곡선이라고 합니다.이 방법의 경우, AFM 팁은 압전 변위의 함수로서 캔틸레버의 편향이 모니터링됨에 따라 표면을 향해 연장되고 표면으로부터 후퇴됩니다.이러한 측정은 나노 스케일 접촉, 원자 결합, 반데르발스 힘 및 카시미르 힘, 액체 및 단일 분자의 용해 힘 및 파열 힘을 측정하는 데 사용되었습니다.^[16]AFM은 또한 수성 환경에서 기판에 흡착된 폴리머에 의한 분산력을 측정하기 위해 사용되어 왔습니다.^[17]이제 몇 개의 피코뉴턴 정도의 힘은 0.1 나노미터 이상의 수직 거리 분해능으로 일상적으로 측정할 수 있습니다.힘 분광법은 정적 또는 동적 모드로 수행할 수 있습니다.동적 모드에서는 정적 편향 외에도 캔틸레버 진동에 대한 정보가 모니터링됩니다.^[18]

이 기술의 문제점으로는 팁 샘플 분리의 직접적인 측정이 없고 표면으로 "스냅"되는 경향이 있는 강성이 낮은 캔틸레버에 대한 일반적인 필요성이 있습니다.이 문제들은 극복할 수 없는 것이 아닙니다.팁-샘플 분리를 직접 측정하는 AFM이 개발되었습니다.^[19]액체로 측정하거나 더 단단한 캔틸레버를 사용하여 스냅인을 줄일 수 있지만, 후자의 경우 더 민감한 편향 센서가 필요합니다.팁에 작은 디더를 적용하면 결합의 강성(힘 구배)도 측정할 수 있습니다.^[20]

생물학적 응용 및 기타

힘 분광법은 생체물리학에서 생체 물질(조직 또는 세포 등)^[21][22][23]의 기계적 특성을 측정하거나 강성 단층 촬영법을 사용하여 시료의 많은 부분에 묻힌 다른 강성의 구조물을 검출하는 데 사용됩니다.^[24]또 다른 응용은 캔틸레버의 끝에 붙은 물질과 다른 한 손으로부터 자유롭거나 같은 물질에 의해 점유된 입자의 표면 사이의 상호작용력을 측정하는 것이었습니다.부착력 분포 곡선에서 힘의 평균값이 도출되었습니다.재료에 의해 덮히든 덮이지 않든 입자 표면의 지도 제작을 가능하게 했습니다.^[25]AFM은 또한 단백질을 기계적으로 펼치는데 사용되었습니다.^[26]이러한 실험에서, 적절한 모델로^[27] 평균 전개력을 분석하면 단백질의 전개 속도 및 자유 에너지 프로파일 매개 변수에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.

개별 표면원자 식별

AFM은 다양한 표면의 원자와 구조를 이미지화하고 조작하는 데 사용될 수 있습니다.끝의 꼭짓점에 있는 원자는 각 원자와 초기 화학 결합을 형성할 때 아래 표면의 개별 원자를 "감지"합니다.이러한 화학적 상호작용은 팁의 진동 주파수를 미세하게 변화시키기 때문에 이를 감지하고 매핑할 수 있습니다.이 원리는 밀도 함수 이론(DFT) 시뮬레이션에서 얻은 값과 이러한 "원자 지문"을 비교하여 합금 표면의 실리콘, 주석 및 납 원자를 구별하는 데 사용되었습니다.^[28]

방법은 먼저 표본에서 예상되는 원자의 각 유형에 대해 이러한 힘을 정확하게 측정한 다음 DFT 시뮬레이션에 의해 제공된 힘과 비교하는 것입니다.연구팀은 팁이 실리콘 원자와 가장 강하게 상호작용하고 주석 원자와 납 원자와는 각각 24%와 41% 덜 강하게 상호작용하는 것을 발견했습니다.따라서 각 다른 유형의 원자는 팁이 표면을 가로질러 이동함에 따라 매트릭스에서 식별될 수 있습니다.

탐침

AFM 프로브는 홀더에서 돌출된 캔틸레버의 자유 스윙 끝에 날카로운 끝이 있습니다.^[29]캔틸레버의 치수는 마이크로미터 단위입니다.팁의 반지름은 보통 몇 나노미터에서 수십 나노미터 정도의 크기입니다. (전문 프로브는 끝의 반경이 훨씬 더 크며, 예를 들어 부드러운 재료의 압입을 위한 프로브가 있습니다.)홀더 칩이라고도 불리는 캔틸레버 홀더(종종 1.6mm x 3.4mm 크기)를 사용하면 작업자가 핀셋으로 AFM 캔틸레버/프로브 어셈블리를 잡고 원자력 현미경의 스캔 헤드에 있는 해당 홀더 클립에 장착할 수 있습니다.

이 장치는 가장 일반적으로 "AFM 프로브"라고 불리지만 다른 이름으로는 "AFM 팁"과 "캔틸레버"(하나의 부품의 이름을 전체 장치의 이름으로 사용)가 있습니다.AFM 프로브는 SPM(스캐닝 프로브 현미경) 프로브의 특정 유형입니다.

AFM 프로브는 MEMS 기술로 제조됩니다.사용되는 대부분의 AFM 프로브는 실리콘(Si)으로 제조되지만 붕규산 유리와 실리콘 질화물도 사용되고 있습니다.AFM 프로브는 팁 꼭지점이 둔해지거나 오염되거나 캔틸레버가 파손되었을 때 교체되는 경우가 많기 때문에 소모품으로 간주됩니다.가장 전문화된 캔틸레버/프로브 조합의 경우 캔틸레버당 수십 달러에서 수백 달러의 비용이 들 수 있습니다.

단지 팁이 조사 대상물의 표면에 매우 가까이 접근하는 것만으로, 캔틸레버는 팁과 표면 사이의 상호작용에 의해 편향되는데, 이것이 AFM이 측정하도록 설계된 것입니다.교호작용의 공간 지도는 2D 표면의 여러 점에서 편향을 측정하여 만들 수 있습니다.

여러 종류의 교호작용을 탐지할 수 있습니다.조사 중인 상호작용에 따라 AFM 프로브의 팁 표면은 코팅으로 수정해야 합니다.사용된 코팅 중에는 생물학적 분자의 공유 결합과 표면과의 상호 작용을 감지하기 위한 금,^[30] 내마모성^[31] 증가를 위한 다이아몬드, 조사된 표면의 자기적 특성을 감지하기 위한 자기 코팅 등이 있습니다.^[32]고해상도 자기 이미징을 달성하기 위한 또 다른 솔루션이 있습니다. 프로브에 마이크로SQ를 장착하는 것입니다.UID. AFM 팁은 실리콘 마이크로 가공과 마이크로SQ의 정확한 위치 지정을 사용하여 제작됩니다.UID 루프는 전자빔 리소그래피로 이루어집니다.^[33]전도성 프로브의 팁 꼭지점에 양자점을 추가로 부착하면 높은 측면 해상도의 표면 전위 이미징, 스캐닝 양자점 현미경이 가능합니다.^[34]

캔틸레버의 표면도 수정할 수 있습니다.이러한 코팅은 주로 캔틸레버의 반사율을 높이고 편향 신호를 개선하기 위해 적용됩니다.

팁 지오메트리의 함수인 힘

팁과 샘플 사이의 힘은 팁의 형상에 따라 크게 달라집니다.지난 몇 년 동안 다양한 연구가 팁 매개변수의 함수로 힘을 쓰기 위해 활용되었습니다.

팁과 샘플 사이의 다른 힘 중에서 물 메니스커스 힘은 공기와 액체 환경 모두에서 매우 흥미롭습니다.쿨롱력, 반데르발스력, 이중층 상호작용, 용해력, 수화력, 소수성 등 다른 힘을 고려해야 합니다.

물메니스쿠스

물 메니스커스 힘은 공기 중의 AFM 측정에 매우 흥미롭습니다.주변 습도로 인해 공기 측정 중 팁과 샘플 사이에 얇은 물 층이 형성됩니다.결과적인 모세관 힘은 팁을 표면으로 끌어당기는 강력한 인력을 발생시킵니다.사실, 유한한 습도의 주변 공기에서 팁과 샘플 사이에 측정된 부착력은 대개 모세관 힘에 의해 지배됩니다.결과적으로, 팁을 표면으로부터 떼어내기가 어렵습니다.많은 폴리머와 특히 생물학적 재료를 포함한 부드러운 샘플의 경우, 강한 접착 모세관 힘으로 인해 접촉 모드에서 이미지를 촬영할 때 샘플 열화 및 파괴가 발생합니다.역사적으로, 이러한 문제들은 공기에서의 동적 이미징의 발전을 위한 중요한 동기가 되었습니다(예를 들어, "탭핑 모드").공기 중에서 탭 모드 영상을 촬영하는 동안 모세관 다리가 여전히 형성됩니다.그러나 적절한 영상 조건을 위해 모세관 브리지는 캔틸레버 진폭 및 위상 대 거리 곡선의 분석에서 추론할 수 있듯이 표면에 수직인 캔틸레버의 모든 진동 주기에서 형성 및 파손됩니다.^[35]결과적으로 파괴 전단력이 크게 감소하고 부드러운 시료를 조사할 수 있습니다.

평형 모세관 힘을 정량화하기 위해서는 압력에 대한 라플라스 방정식부터 시작해야 합니다.

${\displaystyle P=\gamma _{L}\left({\frac {1}{r}}_{1}+{\frac {1}{r}_{0}\right)\simeq {\frac {\gamma _{L}}{r_{eff}}}$

여기서 γ는 표면 에너지이고 r과 r은 그림에서 정의됩니다.

압력은 의 영역에 가합니다.

${\displaystyle A\simeq 2\pi R\simeq [r_{eff}(1+\cos \theta )+h]}$

여기서 θ는 팁 표면과 액체 표면 사이의 각도이며, h는 주변 액체와 미니스커스 상단 사이의 높이 차이입니다.

두 표면을 끌어당기는 힘은

${\displaystyle F=2\pi R\gamma _{L}\left(1+\cos \theta +{\frac {h}{r_{eff}}\right)}$

동일한 공식을 상대 습도의 함수로 계산할 수도 있습니다.

Gao는^[36] 다양한 팁 기하학의 공식을 계산했습니다.예를 들어, 구형 팁에 대해 원뿔형 팁의 경우 힘이 20% 감소합니다.

이러한 힘이 계산되면 습식 건조 상태와 습식 습식 상태 사이에 차이를 두어야 합니다.

구형 팁의 경우 힘은 다음과 같습니다.

$=$ -${\displaystyle {}_{}{}_{}}$ R ${\displaystyle \gamma }$ L${\displaystyle {}_{}{\mathrm{(co}}_{}s}$ ⁡ θ${\displaystyle }$+${\displaystyle {\mathrm{co}}_{}s}$ ⁡ ϕ${\displaystyle }$)${\displaystyle }$( ${\displaystyle 1}$ -${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{D}{}}$ )${\displaystyle$}=-$2\pi$ R$\gamma$ _${L$} $(\cos \theta +\cos \phi )\left$ (1 -${\frac {dh}{D}}\right)},$

$=$$젖은$ 상태에서 젖은 경우$$ D$}}}.$

여기서 θ는 건조구의 접촉각이고 φ는 그림과 같이 침지각입니다.

원뿔 팁의 경우 공식은 다음과 같습니다.

$=$ -${\displaystyle {}_{}{}_{}}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle {\mathrm{\gamma \; L}}_{}\frac{탄}{}}$ ⁡ ${\displaystyle {\mathrm{\delta \; 코}}_{}\frac{스}{}}$ ⁡ δ${\displaystyle {\mathrm{(코}}_{}스}$ ⁡ θ${\displaystyle }$+${\displaystyle {\mathrm{si}}_{}n}$ ⁡ δ${\displaystyle }$)${\displaystyle }$( ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle D}$)${\displaystyle }$( ${\displaystyle 1}$ -${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \frac{d}{}}$ d ${\displaystyle \frac{D}{}}$) ${\displaystyle$}=-$2\pi R\gamma _{L$} ${\frac {\$elta }{\${\displaystyle {\mathrm{cos\; \backslash d}}_{}}$elta }}(\$cos \theta +\$delta ) ($hD)\left($1$$-${\frac {dh}{D}\right)}$ 젖은 상태에서 건조할 수 있습니다.

$=$$젖은$ 상태에서 젖은 경우$$ D$}}\right)}$

여기서 δ는 메니스커스 프로파일의 반원뿔각과 r 및 har 파라미터입니다.

AFM 캔틸레버-편향 측정

빔편향 측정

캔틸레버-편향 측정을 위한 가장 일반적인 방법은 빔-편향 방법입니다.이 방법에서, 고체-상태 다이오드로부터의 레이저 광은 캔틸레버의 후면에서 반사되고 출력 신호가 차동 증폭기에 의해 수집되는 두 개의 밀접한 간격의 포토 다이오드로 구성된 위치-감응형 검출기(PSD)에 의해 수집됩니다.캔틸레버의 각도 변위는 하나의 포토다이오드가 다른 포토다이오드보다 더 많은 빛을 모아서, 캔틸레버의 편향에 비례하는 출력 신호(합으로 정규화된 포토다이오드 신호 사이의 차이)를 생성합니다.빔 편향 방식의 민감도는 매우 높으며, 잘 설계된 시스템에서 일상적으로 10 fm Hz^−1⁄2 정도의 소음 바닥을 얻을 수 있습니다.이 방법을 "광학 레버" 방법이라고 부르기도 하지만 빔 경로를 더 길게 만들면 신호가 증폭되지 않습니다.빔 경로가 길어지면 포토다이오드에 반사되는 점의 움직임이 커지지만 회절에 의해 점이 같은 양만큼 넓어지기 때문에 같은 양의 광파워가 한 포토다이오드에서 다른 포토다이오드로 이동하게 됩니다."광학 레버리지"(검출기의 출력 신호를 캔틸레버의 편향으로 나눈 값)는 집속 레이저 스폿이 캔틸레버에 완전히 떨어질 정도로 작으면 빔 집속 광학계의 개구 수에 반비례합니다.캔틸레버의 길이에 반비례하기도 합니다.

빔 편향 방법의 상대적인 인기는 높은 감도와 간단한 작동으로 설명될 수 있으며, 캔틸레버는 전기 접점이나 다른 특별한 처리를 필요로 하지 않으므로 날카로운 통합 팁으로 비교적 저렴하게 제조할 수 있습니다.

기타 편향 측정 방법

빔 편향 측정을 위한 많은 다른 방법들이 존재합니다.

• 압전 감지 – 석영^[37](qPlus 구성 등)으로 만든 캔틸레버 또는 기타 압전 물질이 전기 신호로 편향을 직접 감지할 수 있습니다.이 방법으로 밤 10시까지 캔틸레버 진동이 감지되었습니다.
• 레이저 도플러 진동 측정 – 레이저 도플러 진동 측정기를 사용하여 진동하는^[38] 캔틸레버에 대한 매우 정확한 편향 측정을 수행할 수 있습니다(따라서 비접촉 모드에서만 사용됨).이 방법은 비용이 많이 들고 비교적 적은 그룹에서만 사용됩니다.
• STM(Scanning tunneling microscope) — 최초의 원자 현미경은 편향을 측정하기 위해 자체 피드백 메커니즘을 갖춘 STM 완전체를 사용했습니다.^[8]이 방법은 구현이 매우 어렵고, 편향 변화에 대한 반응이 현대적인 방법에 비해 느립니다.
• 광학 간섭계 – 캔틸레버의 편향을 측정하기 위해 광학 간섭계를 사용할 수 있습니다.^[39]AFM에서 측정된 나노미터 스케일 편향으로 인해 간섭계가 서브 프린지 영역에서 작동하므로 레이저 파워나 파장의 드리프트가 측정에 강력한 영향을 미칩니다.이러한 이유로 광 간섭계 측정은 매우 안정적인 레이저를 사용하여 매우 신중하게 수행되어야 합니다(예: 광섬유 접합 사이에 인덱스 매칭 유체를 사용함).이러한 이유로 광학 간섭계는 거의 사용되지 않습니다.
• 정전용량 감지 – 금속으로 코팅된 캔틸레버가 캔틸레버 뒤쪽에 위치한 다른 접점과 커패시터를 형성할 수 있습니다.^[40]편향은 접점 사이의 거리를 변화시키며 정전 용량의 변화로 측정될 수 있습니다.
• 압저항 감지 – 캔틸레버는 변형률 게이지 역할을 하는 압저항 요소로 제작할 수 있습니다.휘트스톤 브릿지를 이용하여 편향에 의한 AFM 캔틸레버의 변형을 측정할 수 있습니다.^[41]이것은 진공 용도에서는 일반적으로 사용되지 않습니다. 압전 저항 감지는 공진의 Q에 영향을 미치는 시스템의 에너지를 분산시키기 때문입니다.

압전 스캐너

AFM 스캐너는 압전 물질로 만들어지는데, 압전 물질은 인가된 전압에 비례하여 팽창하고 수축합니다.이들이 늘어나는지 수축하는지는 인가되는 전압의 극성에 따라 달라집니다.일반적으로 팁 또는 샘플은 3개의 피에조 결정의 "삼각형"에 장착되며, 각각은 x,y 및 z 방향으로의 스캔을 담당합니다.^[8]1986년에 AFM이 발명된 것과 같은 해에 STM에 사용할 수 있는 새로운 압전 스캐너인 튜브 스캐너가 개발되었습니다.^[42]나중에 튜브 스캐너는 AFM에 통합되었습니다.튜브 스캐너는 단일 튜브 피에조와 단일 내부 접점 및 4개의 외부 접점을 사용하여 샘플을 x, y, z 방향으로 이동시킬 수 있습니다.원래의 삼각대 설계에 비해 튜브 스캐너의 장점은 낮은 공진 주파수 격리 단계와 결합하여 단일 요소 구조의 높은 공진 주파수로 인한 더 나은 진동 격리입니다.단점은 x-y 모션이 원하지 않는 z 모션을 발생시켜 왜곡을 초래할 수 있다는 것입니다.AFM 스캐너의 또 다른 인기 있는 디자인은 플렉스 스테이지(flexure stage)인데, 플렉스 스테이지는 각 축에 대해 별도의 피에조를 사용하고 플렉스 메커니즘을 통해 결합합니다.

스캐너는 피에조 전압에 대한 피에조 움직임의 비율인 민감도, 즉 인가된 전압당 피에조 물질이 얼마나 연장되거나 수축하는지에 의해 특징지어집니다.재질이나 크기의 차이로 인해 스캐너마다 감도가 다릅니다.감도는 스캔 크기에 따라 비선형적으로 달라집니다.피에조 스캐너는 스캔을 시작할 때보다 끝 부분에서 더 민감도를 나타냅니다.그러면 정방향 스캔과 역방향 스캔이 다르게 작동하고 두 스캔 방향 사이에 히스테리시스가 표시됩니다.^[43]이는 선형 스캐너 이동을 유발하기 위해 piezo 전극에 비선형 전압을 인가하고 스캐너를 그에 따라 보정함으로써 보정할 수 있습니다.^[43]이 방법의 단점 중 하나는 비선형 움직임을 보정하는 데 필요한 정밀한 비선형 전압이 피에조에 따라 변경되기 때문에 재보정이 필요하다는 것입니다(아래 참조).이 문제는 샘플 스테이지 또는 피에조 스테이지에 선형 센서를 추가하여 피에조의 실제 움직임을 감지함으로써 회피할 수 있습니다.센서를 통해 이상적인 움직임으로부터의 편차를 감지하고 비선형 피에조 움직임을 보정하기 위해 피에조 구동 신호에 인가되는 보정을 수행할 수 있습니다.이 디자인은 "폐쇄 루프" AFM으로 알려져 있습니다.센서가 없는 피에조 AFM을 "오픈 루프" AFM이라고 합니다.

압전 물질의 민감도는 시간에 따라 기하급수적으로 감소합니다.이로 인해 대부분의 감도 변화가 스캐너 수명의 초기 단계에서 발생합니다.압전 스캐너는 공장에서 출고되기 전까지 약 48시간 동안 작동하므로 감도 변화가 큰 시점을 지나야 합니다.스캐너가 노후화되면 시간에 따라 감도가 덜 변하며 스캐너를 재보정할 필요가 거의 없습니다.^[44][45] 하지만 다양한 제조업체 설명서에서는 개방 루프 AFM을 매달에서 반달 단위로 보정할 것을 권장합니다.

장점과 단점

이점

AFM은 주사 전자 현미경(SEM)보다 몇 가지 장점이 있습니다. 2차원 투영 또는 샘플의 2차원 이미지를 제공하는 전자 현미경과 달리, AFM은 3차원 표면 프로파일을 제공합니다.또한 AFM에서 본 샘플은 샘플을 비가역적으로 변화시키거나 손상시키는 특별한 처리(금속/탄소 코팅 등)가 필요하지 않으며, 일반적으로 최종 이미지에서 아티팩트를 충전하는 문제가 없습니다.전자 현미경은 적절한 작동을 위해 값비싼 진공 환경이 필요하지만, 대부분의 AFM 모드는 주변 공기나 심지어 액체 환경에서도 완벽하게 잘 작동할 수 있습니다.이것은 생물학적 거대분자와 심지어 생물체를 연구하는 것을 가능하게 합니다.원칙적으로 AFM은 SEM보다 높은 해상도를 제공할 수 있습니다.초고진공(UHV)과 최근에는 액체 환경에서 진정한 원자 분해능을 제공하는 것으로 나타났습니다.고해상도 AFM은 주사 터널링 현미경 및 투과 전자 현미경에 필적하는 해상도입니다.또한 AFM은 적외선 분광기의 형광 현미경과 같은 다양한 광학 현미경 및 분광 기술과 결합하여 근거리 광학 현미경, 나노-FTIR을 스캔하고 응용 가능성을 더욱 확대할 수 있습니다.조합된 AFM-광학 장비는 주로 생물 과학 분야에 적용되어 왔지만 최근에는 광전지^[13] 및 에너지 저장 연구,^[46] 고분자 과학,^[47] 나노^[48][49] 기술 및 의학 연구 분야에서도 큰 관심을 끌고 있습니다.^[50]

단점들

스캔 전자 현미경(SEM)에 비해 AFM의 단점은 단일 스캔 이미지 크기입니다.한 번의 패스로 SEM은 제곱 밀리미터 단위의 영역과 밀리미터 단위의 필드 깊이를 이미지화할 수 있는 반면, AFM은 최대 스캔 면적이 약 150×150 마이크로미터, 최대 높이가 10-20 마이크로미터 단위의 이미지만 이미지화할 수 있습니다.AFM의 스캔 영역 크기를 개선하는 한 가지 방법은 밀리피드 데이터 스토리지와 유사한 방식으로 병렬 프로브를 사용하는 것입니다.

AFM의 스캔 속도도 한계입니다.일반적으로 AFM은 SEM만큼 빠르게 이미지를 스캔할 수 없으므로 일반적인 스캔에 몇 분이 소요되는 반면 SEM은 비교적 낮은 품질이지만 거의 실시간으로 스캔할 수 있습니다.AFM 영상 촬영 중 스캔 속도가 상대적으로 느리기 때문에 영상의^[51][52][53] 열 드리프트가 발생하는 경우가 많아 AFM은 영상 상의 지형지물 간의 정확한 거리를 측정하는 데 적합하지 않습니다.그러나 비디오 AFM(video AFM)이라고 하는 것을 포함하여 현미경 스캔 생산성을 높이기 위해 몇 가지 빠른 동작의 설계가^[54][55] 제안되었습니다.비디오 속도로 AFM: 평균 SEM보다 빠름).열 드리프트(thermal drift)에 의해 유도되는 이미지 왜곡을 제거하기 위해, 몇 가지 방법들이 도입되었습니다.^[51][52][53]

또한 AFM 영상은 압전 물질의 비선형성, 히스테리시스,^[43] 크리프(creep)에 영향을 받을 수 있으며 소프트웨어 향상과 필터링이 필요할 수 있는 x,y,z 축 간의 크로스토크(cross-talk)도 가능합니다.이러한 필터링은 실제 지형지물을 "평탄화"시킬 수 있습니다.그러나 새로운 AFM은 실시간 수정 소프트웨어(예: 특징 중심 스캔^[44][51]) 또는 폐루프 스캐너를 사용하므로 이러한 문제를 실질적으로 제거할 수 있습니다.일부 AFM은 단일 튜브가 아닌 분리된 직교 스캐너를 사용하기도 하는데, 이 스캐너는 교차 대화 문제의 일부를 제거하는 역할도 합니다.

다른 이미징 기술과 마찬가지로 부적절한 팁, 열악한 작동 환경 또는 오른쪽에 표시된 샘플 자체에 의해 유도될 수 있는 이미지 아티팩트의 가능성이 있습니다.이러한 이미지 아티팩트는 피할 수 없지만 다양한 방법을 통해 발생 및 결과에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.팁이 너무 거칠어서 발생하는 아티팩트는 부적절한 취급이나 너무 빨리 스캔하거나 지나치게 거친 표면으로 인해 샘플과 사실상의 충돌로 인해 팁이 실제로 마모될 수 있습니다.

AFM 프로브의 특성상 일반적으로 가파른 벽이나 돌출부를 측정할 수 없습니다.특수 제작된 캔틸레버 및 AFM을 사용하여 프로브를 측면뿐만 아니라 상하(동적 접촉 및 비접촉 모드와 같이)로 변조하여 보다 고가의 캔틸레버, 낮은 측면 해상도 및 추가 아티팩트의 비용으로 측벽을 측정할 수 있습니다.

다양한 학문분야의 다른 응용분야

나노기술과 생물학 연구를 통합하는 최근의 노력은 성공적이었고 나노생물역학과 같은 분야를 포함하여 미래에 대한 많은 가능성을 보여주었습니다.^[56]나노 입자는 약물 전달의 잠재적인 수단이기 때문에, 이러한 나노 입자에 대한 세포의 생물학적 반응은 그들의 효능을 최적화하고 어떻게 그들의 디자인을 개선할 수 있는지에 대해 지속적으로 연구되고 있습니다.^[57]피르지오타키스(Pyrgiotakis) 등은 AFM 팁에 엔지니어링 나노입자를 부착함으로써 CeO₂ 및 FeO₂₃ 엔지니어링 나노입자와 세포 간의 상호작용을 연구할 수 있었습니다.^[58]연구들은 생물학적 매체에서 살아있는 세포의 행동에 대한 더 많은 정보를 얻기 위해 AFM을 이용해 왔습니다.실시간 원자력 분광법(또는 나노 내시경) 및 동적 원자력 분광법은 나노 스케일에서 살아있는 세포와 막 단백질 및 고해상도에서의 동적 거동을 연구하는 데 사용되었습니다.세포의 지형과 특성에 대한 정보를 이미징하고 얻는 것은 또한 세포-세포 상호작용과 다른 신호 분자(예: 리간드)와의 상호작용을 통해 발생하는 화학적 과정과 메커니즘에 대한 통찰력을 제공했습니다.Evans와 Calderwood는 단일 세포 힘 현미경을 사용하여 세포 부착력, 결합 운동학/동적 결합 강도 및 세포 신호 전달과 같은 화학적 과정에서의 역할을 연구했습니다.^[59]Scheuring, Levy, and Rigaud는 AFM이 광합성 박테리아의 막단백질의 결정구조를 탐구하는 연구를 검토했습니다.^[60]알스틴 외.AFM 기반 나노 내시경을 사용하여 살아있는 미생물과 항균제(특히 이소니아지드, 에티오아마이드, 에탐부톨 및 스트렙토마이신) 간의 상호 작용에 대한 실시간 분석을 수행하고 있으며,^[61] 이는 AFM을 통해 수행될 수 있는 병원체-약물 상호 작용에 대한 보다 심층적인 분석의 예가 됩니다.

참고 항목

과학포털

참고문헌

추가열람

• Voigtländer, Bert (2019). Atomic Force Microscopy. NanoScience and Technology. Springer. doi:10.1007/978-3-030-13654-3. ISBN 978-3-030-13653-6. S2CID 199490753.
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• García, Ricardo; Pérez, Rubén (2002). "Dynamic atomic force microscopy methods". Surface Science Reports. 47 (6–8): 197–301. Bibcode:2002SurSR..47..197G. doi:10.1016/S0167-5729(02)00077-8.

외부 링크

• AFM의 내부 작동 - 우리가 상상할 수 있는 애니메이션 설명ThisOut.org