SCIENCE 3D | 주사 터널링 현미경 (STM)

무슨 일이 일어났나

주사 터널링 현미경(STM)은 아주 뾰족한 금속 바늘을 겉면에 원자 몇 개 거리까지 가까이 대고, 그 빈틈을 전자가 뚫고 흐르는 터널 전류로 겉면의 원자 하나하나를 그려 내는 현미경입니다.

NIST 에 따르면 바늘과 겉면 사이에 작은 전압을 걸면 터널 전류가 흐르고, 틈이 원자 몇 개 거리로 좁아지면 이 전류가 빠르게 늘어납니다.

시뮬레이터(일함수 4 eV 는 예로 든 값)에서 바늘이 0.1 nm 다가갈 때마다 전류는 7.76 배가 되어, 높이를 그대로 두고 훑으면 원자 봉우리 위에서 전류가 처음의 2.80 배까지 오릅니다.

전류를 그대로 지키도록 바늘을 오르내리게 하면, 바늘 높이 변화(가장 크게 50.2 pm)가 곧 겉면 원자의 높낮이 그림이 됩니다.

NIST 에 따르면 터널 전류 검출과 훑기 장치를 처음 합친 사람은 미국 표준국의 러셀 영으로 1965–1971 년 «토포그래파이너» 를 만들었고, 비니히와 로러는 원자 분해능을 보인 STM 으로 1986 년 노벨 물리학상을 함께 받았습니다.

과학 교과서나 뉴스에서 보는 «원자가 줄지어 놓인 사진» 은 흔히 이런 탐침 현미경으로 그린 그림입니다.
불 꺼진 방에서 손끝으로 벽을 더듬으며 걸으면 손끝 감각만으로 벽의 울퉁불퉁함을 알 수 있듯, STM 은 바늘 끝의 전류로 겉면을 «더듬어» 그립니다(비유).

바늘을 겉면에서 1 nm 남짓까지 천천히 내리고 작은 전압을 겁니다.
틈이 원자 몇 개 거리가 되면 전자가 진공 틈을 뚫고 흘러 터널 전류가 생깁니다.
바늘을 한 줄씩 옆으로 옮기며 훑으면, 원자 위에서는 틈이 좁아 전류가 커지고 원자 사이에서는 작아집니다.
되먹임 회로가 전류를 일정하게 지키도록 바늘을 오르내리게 하고, 그 높이를 자리마다 적습니다.
적은 높이를 줄마다 이어 붙이면 원자가 하나하나 솟은 겉면 그림이 됩니다 — NIST 의 7 nm × 7 nm 세슘 원자 사슬 사진도 이렇게 얻었습니다.