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위상 이미징 / 위상 검파 현미경(PDM)

시료 탄성의 위상 이미징

검파 현미경(PDM)이라고도 하는 위상 이미징은 탄성, 접착 및 마찰과 같은 표면 특성의 변화를 매핑하는 데 사용할 수 있는 또 하나의 기법입니다. XE 시리즈를 완전 비접촉식 원자현미경, 간헐 접촉식 원자현미경(IC-AFM) 또는 MFM 모드 등의 다른 모드로 운용하면서 위상 이미징을 수행할 수 있습니다. 힘 변조 이미지(FMM)를 측정하면서 위상 이미지를 측정할 수도 있습니다

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그림 1. 시료 표면의 기계적 특성에 따른 위상 지연의 변화

위상이미징이란 캔틸레버 진동의 구동 신호와 캔틸레버 진동 출력 신호 사이의 그림 1과 같은 위상 지연을 측정하는 방식입니다. 위상 지연의 변화는 시료 표면의 기계적 특성 변화를 반영합니다. 캔틸레버 휨 또는 진폭의 변화를 이용한 시스템의 피드백 루프는 평상시와 같이 작동하여 시료 표면 형상을 측정합니다. 형상 이미지를 측정하는 중에 위상 지연을 관측하므로 형상 이미지와 물성 이미지를 동시에 측정할 수 있습니다.

위상 검파의 응용 분야 중 하나는 물성 정보 획득으로서, 접촉식 원자현미경이 아닌 완전 비접촉식 원자현미경으로 시료 표면 형상을 가장 잘 측정할 수 있는 경우에 특히 유용합니다(완전 비접촉 모드 참조). 이러한 시료에서는 접촉식 원자현미경으로 형상을 측정하는 힘 변조 현미경의 대안으로서 위상 이미징을 이용할 수 있습니다. 그림 2에서는 블록 혼성폴리머를 완전 비접촉식 원자현미경으로 측정한 (a) 형상 이미지 및 (b) 위상 이미지를 보여 줍니다. 이와 같이 위상 이미지는 형상 이미지를 보완하여 블록 혼성폴리머의 표면 특성 변화를 드러내 줍니다.

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그림 2. 블록 혼성폴리머를 동시에 측정한 (a) 비접촉식 원자현미경 이미지 및 (b) 위상 이미지(시야 1μm × 1μm)

 

XE 시리즈 원자현미경을 완전 비접촉 모드로 운용하면 형상, NCM 진폭 및 NCM 위상이라는 세 가지 신호가 관측됩니다. 캔틸레버가 자유 공간에서 진동한다고 가정할 때, 캔틸레버가 시료에 접근하면 그림 3과 같이 자유 공간의 진동 신호를 기준으로 진폭 감소와 위상 변이가 발생합니다.

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그림 3. 캔틸레버가 표면에 접근함에 따른 캔틸레버 진동의 공명 곡선 이동

완전 비접촉 모드에서는 캔틸레버가 표면의 형상을 따라가도록 진폭 또는 위상을 피드백 변수로 사용할 수 있습니다. 진폭 피드백만 사용하는 경우 진폭의 변화는 거의 무시할 수 있을 정도로 감소하지만 이미징 중의 위상 변화는 극대화됩니다. 이미징 시에 Z 스캐너의 피드백으로 진폭과 위상을 모두 사용하면 진폭 변화와 함께 위상 변화도 보상됩니다. 따라서 진폭 피드백만 사용할 때보다 위상 변화는 감소하지만 진폭 변화는 커질 수 있습니다. XE 시리즈의 완전 비접촉 모드에서는 진폭 및 위상 피드백을 모두 사용하므로, NCM 주파수 스윕 박스에서 진폭 피드백만 설정하여 완전 비접촉식 원자현미경에 진폭 피드백만 사용할 때 위상 이미지의 대비가 극대화됩니다. 그림 4에서는 OPV 폴리머를 완전 비접촉식 원자현미경으로 측정한 (a) 형상 이미지 및 (b) 위상 이미지를 보여 줍니다.

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그림 4. 동시에 측정한 (a) 완전 비접촉식 원자현미경 이미지 및 (b) 위상 이미지(시야 3μm × 3μm)

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