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원자간력 현미경 (AFM)
원자처럼 작은 울퉁불퉁함을 바늘 하나로 어떻게 더듬어 그릴까요?
무슨 일이 일어났나
원자간력 현미경(AFM)은 아주 가는 바늘이 달린 작은 판 용수철(외팔보, 캔틸레버)로 겉면을 더듬어 모양을 그립니다. 1986 년에 처음 나왔습니다(NIST).
겉면이 높아지면 외팔보가 휘고, 휜 만큼 힘이 바뀝니다 — 힘 = 단단함 × 휨. NIST 시험에 쓴 질화 규소 외팔보의 용수철 상수는 약 0.4 N/m 이고, 시뮬레이터에서 이 외팔보가 원자 하나 위에서 가장 크게 50.2 pm 휠 때 힘은 20.1 pN 바뀝니다.
이렇게 작은 휨은 레이저로 잽니다. 외팔보에 비친 레이저 점이 광검출기(포토다이오드) 위에서 움직이는 거리로 휨을 읽는데, 이를 광 지렛대라고 합니다(NIST). 시뮬레이터는 점이 휨의 1000 배 움직인다고 둔 모형입니다.
바늘을 겉면 위로 줄줄이 옮기는 주사기(스캐너)는 대부분 압전 세라믹이 움직입니다(NIST). 시뮬레이터에서 원자 하나가 빠진 자리를 지나면 휨이 거의 0 으로 줄어 빈자리가 그림에 드러납니다.
💡 생활 속 예시
- 눈을 감고 손끝으로 동전 겉면을 더듬으면 무늬를 알아챌 수 있는데, AFM 은 바늘 끝으로 같은 일을 합니다.
- 레코드판 바늘이 홈을 따라 오르내리며 소리를 읽듯, AFM 바늘은 원자 높이의 오르내림을 읽습니다.
어떤 부품이 무엇을 하나
- 바늘 · 외팔보 — 겉면을 따라 오르내리며 높낮이만큼 휩니다.
- 레이저 · 광검출기 — 외팔보에 비친 레이저 점의 움직임으로 아주 작은 휨을 잽니다.
- 압전 주사기 — 전압을 받아 아주 조금씩 늘고 줄며 바늘을 줄줄이 옮깁니다.
- 컴퓨터 — 자리마다 잰 휨을 이어 높이 지도로 그립니다.
- 바늘을 겉면 가까이 내립니다.
- 압전 주사기가 바늘을 한 줄씩 옮기며 겉면을 훑습니다.
- 원자 위를 지날 때마다 외팔보가 휘고, 레이저 점이 광검출기 위에서 움직입니다.
- 줄마다 잰 휨을 이어 붙여 겉면의 높이 그림을 만듭니다.
확인된 값
교육과정에서는
- 한국 2022 · 고급 물리학 · 현대 물리
- 일본 · 高等学校 物理 (4) 原子
출처
이어서 보기
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