연구 주제

주사 탐침 현미경

압력, 기체 조성, 온도, 빛, 전기적 바이어스를 제어하면서 표면의 국소 구조와 물성 변화를 추적합니다.

전통적인 표면과학 실험은 초고진공에서 깨끗하고 잘 정의된 시료를 준비하는 것에서 시작합니다. 그러나 기능성 소재는 기체, 액체, 전기적 접촉이 존재하는 환경에서 작동하며, 그때 안정한 표면은 진공에서 준비한 표면과 다를 수 있습니다. 단순히 높은 압력에 도달하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 환경을 바꾸는 동안에도 동일한 위치를 계속 측정할 수 있어야 합니다.

주사 탐침 현미경은 하나의 탐침으로 여러 국소 물성을 측정할 수 있다는 장점이 있습니다. STM은 전도성 표면의 원자 구조와 전자 상태를 측정하고, AFM은 반도체와 절연체까지 대상을 넓혀 표면 형상, 마찰, 접착력, 전류, 표면 전위를 지도화할 수 있습니다. 여기에 분광학을 결합하여 관찰된 대비의 화학적 원인을 확인합니다.

작동 중인 표면은 진공 표면과 다를 수 있습니다.

기체 압력은 흡착종의 피복률과 표면 자유에너지를 바꾸고, 때로는 원자 구조 자체를 재구성합니다. 상온에서 초고진공과 대기압 사이의 화학 퍼텐셜 차이는 기존 진공 실험에서는 나타나지 않는 표면 상태를 안정화할 만큼 큽니다. 이것이 압력 간극입니다. 반응 전후에 측정한 구조가 실제 반응 중의 구조와 같다고 가정할 수 없습니다.

압력에 따른 표면 흡착 및 재구성을 나타낸 모식도 — 압력 증가는 흡착종의 피복률과 표면 구조를 함께 바꿀 수 있습니다. Choi et al., ACS Nano (2020)에서 발췌·편집.

하나의 장비로 전체 압력 이력을 측정합니다.

상압 AFM은 초고진공 시료 준비 챔버와 독립된 측정 챔버, 기체 매니폴드로 구성됩니다. 시료를 초고진공에서 준비하고 공기 노출 없이 옮긴 다음, 선택한 기체에서 약 10⁻¹⁰ mbar부터 1 bar까지 측정할 수 있습니다. 같은 장비에서 표면 형상, 측면힘, 국소 전도도, 힘 분광을 수행합니다.

초고진공 시료 준비 챔버와 상압 AFM 챔버 모식도 — 초고진공 시료 준비 챔버와 가변 압력 AFM 챔버. Choi et al., Rev. Sci. Instrum. (2018)에서 발췌·편집.

압력이 변해도 원자 대비가 유지되어야 합니다.

가변 압력 장비는 압력 변화 후에도 위치 정합성과 원자분해능을 유지해야 의미가 있습니다. HOPG에서는 초고진공부터 산소 120 mbar, 그리고 다시 배기한 뒤까지 원자 스틱–슬립 대비가 유지되었습니다. 시료나 탐침을 교체하지 않고도 넓은 압력 범위에서 마찰 대비를 연속적으로 추적할 수 있음을 보여줍니다.

산소 120 mbar에서 측정한 HOPG 원자 스틱 슬립 측면힘 이미지 — 산소 120 mbar에서 측정한 HOPG 원자 스틱–슬립 이미지. Choi et al., Rev. Sci. Instrum. (2018)에서 발췌·편집.

힘 분광은 형상보다 먼저 변화를 감지할 수 있습니다.

새로 절단한 HOPG에서 산소는 접착력을 거의 바꾸지 않았지만, 메테인에 노출하면 약 10⁻³ mbar 이상에서 탐침의 pull-off force가 크게 증가했습니다. 배기 후에도 증가분의 일부가 남았으며, 이는 표면 또는 탐침에 탄화수소가 흡착된 결과와 일치합니다. 새로운 구조가 표면 형상에 뚜렷하게 나타나기 전에 국소 기계 물성이 먼저 달라질 수 있음을 보여줍니다.

메테인 주입과 배기 중 HOPG 접착력 변화 그래프 — CH₄ 주입 및 배기 과정에서 측정한 압력 의존 접착력. Choi et al., Rev. Sci. Instrum. (2018)에서 발췌·편집.

현재 연구

반응의 전후가 아니라 변화 과정을 측정합니다.

S² Lab은 하이브리드 페로브스카이트와 금속 산화물을 대상으로 물, 반응 기체, 빛, 전기적 바이어스, 온도를 제어하는 AFM 및 STM 연구를 수행합니다. 잘 정의된 초기 표면에서 작동 상태까지 같은 위치를 추적하고, 구조 변화와 기계적·전기적 대비를 함께 측정하며, 상보적인 분광학으로 변화의 화학적 원인을 확인하는 것이 목표입니다.