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주사형 터널링 현미경(STM)

시료 표면의 국지적 전자 구조 관찰

 

주사형 터널링 현미경(STM)은 XE 시리즈 SPM의 응용 모드 중 하나입니다. STM은 모든 주사형 프로브 현미경의 원조 격입니다. 이 기술은 1981년에 IBM Zurich의 Gerd Binnig 및 Heinrich Rohrer에 의해 발명되었으며, 이들은 5년 뒤에 이 공로를 인정받아 노벨 물리학상을 수상하게 되었습니다. STM은 원자 수준의 분해능(정확히 말해 원자 격자 분해능)으로 표면의 실제 공간 이미지를 측정할 수 있는 최초의 장비였습니다.


STM와 전도식 원자현미경의 작동 원리는 동일하지만 STM은 예리한 전도성 팁을 사용하는 반면 전도식 원자현미경은 전도성 원자현미경 캔틸레버를 사용한다는 점이 다릅니다. 팁과 시료 사이에 바이어스 전압이 가해집니다. 팁이 시료에서 10A 이내까지 접근하면 시료의 전자가 10A 간격을 통해 팁으로 "터널링" 효과가 나타나며, 그림 1과 같이 바이어스 전압의 부호에 따라 터널링 방향이 바뀝니다. 이렇게 발생하는 터널링 전류는 팁-시료 간격에 따라 변화하며, 시료와 팁은 모두 전도체이거나 반도체여야 합니다. 따라서 절연 소재는 STM으로 측정할 수 없습니다.

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그림 1. XE 시리즈 STM 시스템의 계통도

 

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그림 2. STM의 (a) 일정 높이 및 (b) 일정 전류 모드 비교

 

터널링 전류는 거리의 지수 함수 형태로 표현되며, 양자역학에 근거하여 터널링 전류(It)는 아래와 같이 계산됩니다.

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여기에서 d는 팁과 시료 표면 사이의 거리입니다.

팁과 시료의 간격이 1A 단위로 10% 변화하면 터널링 전류의 자릿수가 하나 변화합니다. 이러한 지수적 상관성은 STM에 놀라운 감도를 제공합니다. STM은 세로 방향으로 옹스트롬 이하의 정밀도, 가로 방향으로 원자 수준의 분해능으로 시료 표면을 이미징할 수 있습니다.

STM 기술은 다양한 바이어스 전압으로 "표면 형상" 이미지(일정 전류)를 얻어 비교할 수 있으며, 다양한 높이에서 전류 이미지(일정 높이)를 얻을 수도 있습니다. 그리고 팁을 관심있는 형상 위에 놓고 바이어스 전압을 변화시키면서 터널링 전류를 기록할 수 있는 등 다양한 기법을 망라합니다. 마지막 기법의 예는 시료 표면의 특정 XY 위치에서 전자 구조의 전류 대 전압(IV) 곡선 특성을 산출하는 것입니다. 데이터 세트의 모든 점에서 IV 곡선을 취하도록 STM을 설정하면 전자 구조의 3차원 지도를 얻을 수 있습니다. 락인앰프로 dI/dV(전도율) 또는 dI/dz(일 함수) 대 V 곡선을 직접 얻을 수 있습니다. 이러한 모든 방법은 STM으로 표면의 국지적 전자 구조를 관찰하는 수단입니다.

그림 2에서는 일정 높이 또는 일정 전류 모드의 계통도를 보여 줍니다. 일정 높이 모드에서는 팁이 시료 위에서 수평면을 따라 이동하며 터널링 전류가 시료의 형상 및 국지적 표면 전자 특성에 따라 변화합니다. 그림 2 (a)와 같이 시료 표면의 각 위치에서 측정한 터널링 전류가 데이터 세트(형상 이미지)를 구성합니다.

일정 전류 모드에서는 그림 2 (b)와 같이 각 측정 지점에서 피드백에 따라 스캐너 높이를 조정하여 터널링 전류를 일정하게 유지합니다. 예를 들어 터널링 전류가 상승하는 것이 감지되면 Z축 스캐너에 인가되는 전압을 조정하여 팁과 시료 간의 거리를 벌립니다. 일정 전류 모드에서는 스캐너의 움직임이 데이터 세트를 구성합니다. 터널링 전류를 몇 퍼센트 이내로 일정하게 유지하면 팁-시료 거리는 수백 분의 1옹스트롬 이내로 일정하게 유지됩니다. 각 모드에는 장단점이 있습니다. 일정 높이 모드에서는 스캐너의 상하 이동이 필요하지 않으므로 속도가 빠르지만 표면이 상대적으로 매끈한 경우에만 유용한 정보를 얻을 수 있습니다. 일정 전류 모드에서는 불규칙한 표면을 정밀하게 측정할 수 있지만 측정 시간이 오래 걸립니다.

대략적으로 말해, 터널링 전류 이미지는 시료 표면 형상을 매핑합니다. 보다 정확히 설명하자면 터널링 전류는 표면의 전자상태 밀도에 대응합니다. STM은 실제로 바이어스 전압에 따라 결정되는 에너지 범위 내에서 페르미면 근처의 충만 또는 비충만 전자상태의 수를 감지합니다. 따라서 물리적 형상이 아닌 일정 터널링 확률면을 측정합니다.

비관적인 관점에서 보면 국지적 전자 구조에 대한 STM의 민감성은 형상 매핑에 문제를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어 시료에 산화된 부분이 있을 경우 팁이 표면에 구멍을 내면서 터널링 전류는 급격히 감소합니다.

그러나 긍정적인 관점에서 보면 전자 구조에 대한 STM의 민감성은 막강한 장점이 될 수 있습니다. 시료의 전자 특성을 파악하는 다른 기법에서는 너비가 수 미크론에서 수 밀리미터에 이르는 비교적 넓은 영역에서 비롯되는 데이터를 감지하여 평균을 구합니다. STM은 원자 수준의 분해능으로 시료 표면의 전자 특성을 관찰하는 표면 분석 툴로서 이용될 수 있습니다.

그림 3에서는 고차원(HOPG) (a) 표면 형상 및 (b) STM 이미지를 보여 줍니다.

 

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그림 3. HOPG의 (a) 형상 이미지 및 (b) STM 전류 이미지(스캔 크기 5nm)

 

XE-STM 모드에는 '내부 STM' 및 '외부 STM'이라는 두 가지 전류 증폭기를 사용할 수 있습니다. '내부 STM' 모드는 헤드 연장 모듈의 고정 게인 전류 증폭기를 사용하는 STM 모드입니다. '내부 STM' 모드에서는 증폭기의 게인이 고정되므로 터널링 전류의 측정 가능 범위가 고정됩니다. 그러나 외부 STM 모드에서는 증폭기의 게인을 조절하여 측정 가능한 터널링 전류 범위를 변경할 수 있습니다. '외부 STM' 모드는 가변 게인 외부 저 노이즈 전류 증폭기를 사용하는 STM 모드입니다. 자세한 내용은 "외부 저전류 증폭기"를 참조하십시오.

I/V 분광법 모드에서는 전류(I) 대 전압(V) 곡선을 구하여 시료 표면의 전기적 특성을 조사할 수 있습니다. I/V 곡선은 전류를 시료에 인가한 팁 바이어스 전압의 함수로 도식한 것입니다.

 

필수 옵션

내부 STM
STM
탐침 및 STM 탐침 홀더
헤드 연장 모듈 및 프레임 모듈

외부

STM
STM 탐칩 및 STM 탐칩 홀더
외부 저 노이즈 전류 증폭기
헤드 연장 모듈 및 프레임 모듈

 

 

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