미국 연구진은 재료의 특성을 평가하는데 매우 유용한 원자 힘 현미경의 측정 정밀도를 증가시킬 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 

단속 접촉(Intermittent-contact) 원자힘 현미경(atomic force microscopy, AFM)은 연질 및 경질 표면을 탐침할 수 있다. 이것은 상대적으로 짧은 시간 내에 최소한의 침습과 높은 공간 해상도를 가진다. 그러나 샘플 손상을 최소화하고 측정 정밀도를 최대화하기 위해서, 탐침은 감도를 최대화하기 위해서 진동될 필요가 있다. 이런 진동 조건을 결정하는 것이 어렵기 때문에, 이번 연구진은 Nanotechnology에 이것을 할 수 있는 쉬운 방법을 제안했다. 이 방법은 탐침 여기 주파수(probe excitation frequency)를 최적화한다. 탐침 여기 주파수는 연질 점탄성 표면의 특성을 평가하는데 특히 유용하고 최대 감도를 이끌 수 있는 핵심 변수이다. 

단속-접촉 AFM은 미세한 팁을 가진 캔틸레버가 이것의 형상 및 표면 특성을 측정하기 위해서 표면에 간헐적으로 접촉하는 것이다. 이것은 마이크로크기 및 나노크기 특성평가 도구로 가장 폭넓게 사용되는 것 중 하나이다. 점탄성 재료의 연구에서, 팁 속도는 캔틸레버에 의해서 손실되는 에너지에 상당한 영향을 끼칠 수 있다. 따라서 적절한 여기 주파수를 선택하는 것은 이런 재료들의 특성 평가에 중요하다. 

조지 워싱턴 대학(George Washington University)의 연구진은 최적의 여기 주파수를 선택함으로써 실험학자들에게 도움이 될 수 있는 새로운 지침을 제공했다. 기존의 지식은 마이크로캔틸레버 탐침이 탐침의 내부 공진 주파수 또는 근방의 주파수에서 구동된다는 것을 보여주었다. 그러나 이미징 동안의 탐침-샘플 힘은 주파수 변화를 불러온다. 이것은 캔틸레버-샘플 시스템의 공진 주파수가 탐침의 자유 공진 주파수와 다르다는 것을 의미한다. 

캔틸레버 여기 주파수와 팁 자유 진동 진폭은 진폭 변조 원자힘 현미경에서 중요한 이미징 매개변수이다. 일반적으로 여기 주파수는 측정된 탐침의 공진 주파수의 근처로 선택되지만, 이런 선택을 수행할 수 있는 체계적으로 수립된 방법이 존재하지 않는다. 이번 연구진은 여기 주파수의 선택이 점탄성 재료의 특성평가에 매우 중요한 역할을 할 수 있다는 것을 증명했다. 

공진 주파수는 측정하는 것이 아니라 상당히 간단한 식을 사용해서 분석적으로 추정될 수 있다. 이것은 이미지 속의 관찰 범위를 최대화하는 방식으로 샘플의 특성을 평가하는데 사용될 수 있다. 이것은 더 선명한 이미지를 생성하고, 샘플의 재료 특성 또는 형상 속의 작은 공간적인 진동을 측정하는데 특히 장점을 가진다. 이 방법은 기존 및 다중주파수 AFM에 적용할 수 있고, 바이모달(bimodal) AFM을 사용해서 Nafion? 박막의 특성 평가에 사용된다. 

이번 연구진은 다중주파수 원자 힘 현미경 방법의 개발과 에너지와 관련된 재료의 특성을 평가하는 다양한 실험적 및 계산적 연구를 수행하고 있다. 이 연구는 저널 Nanotechnology에 “Optimization of the excitation frequency for high probe sensitivity in single-eigenmode and bimodal tapping-mode AFM” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1088/0957-4484/26/16/165703). 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』