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◎주사터널현미경(STM; scanning tunneling microscope)의 원리

0. 용어정리

‧ 회절: 빛이 장애물을 지날 때 휘어지는 파동적 현상

‧ 분해능: 서로 떨어져 있는 두 물체를 구별할 수 있는 능력

1. 광학 현미경의 분해능

: 회절의 한계 때문에 측정할 수 있는 미세한 구조의 크기는 가시광선 파장 400nm~700nm 크기만큼 제한된다. 따라서 1Å이하의 분해능을 얻기 위해서는 복사에너지 10keV 이상이 필요하다. 그러나 이와 같은 에너지는 표면의 파손을 가져온다.

2. 주사터널현미경의 원리

‧ 터널링: 전자에 의한 물질파의 일부가 퍼텐셜 장벽을 통과하는 양자역학적 현상.

[그림] 터널링에서 전자의 파동함수

‧ 전기장 방출: 금속에 전기장을 가하여 전자를 방출시키는 현상, 외부 전기장이 전자에 작용하는 일함수가 W-eEx 만큼 줄여주기 때문에.

[그림] (a) 금속 내 전자의 에너지 준위 (b) 외부 전기장에 의하여 바뀐 퍼텐셜

‧ 압전성 : 초전기성을 갖는 세라믹이 전기장에 의해 수축 팽창하는 특성으로 주사터널현미경에서 표면 바늘 끝까지의 일정한 거리 혹은 일정한 전류 유지가 가능.

[그림] 주사터널링 현미경 핵심 부분. 세 개의 수정막대는 뾰족한 금속 탐침을 조사하고자 하는 표면 위로 훑고 탐침과 표면의 거리를 일정하게 유지하는데 쓰인다.

‧ 원리:

-전기장 방출로 금속 표면과 탐침 사이의 터널링 효과를 활용

-압전성을 이용하여 금속 표면과 탐침 사이의 일정한 거리 혹은 일정한 전류를 유지하도록 통제

-이때 탐침의 움직임을 등고선으로 표시

[그림] (a) 주사터널현미경 탐침의 개략도 (b) 금속 결정 원자들의 표면의 등고선