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문제 정의
- 본고에서는 상대적으로 국내에 많이 알려져 있지 않은 PFM과 ESM에 대하여 소개하고자 한다. PFM과 ESM은 모두 접촉모드 (contact mode) AFM을 기반으로 개발된 SPM 기술들로, 이에 대한 이해를 돕기 위해 우선 접촉모드 AFM의 원리와 응용에 대해서 간략히 설명할 것이다.
- 특히 원자간 힘을 이용하는 AFM은 시료의 전도도에 구애 받지 않고 도체, 부도체, 반도체 등 모든 물질에서 측정이 가능하며, 그 주변 환경을 다양하게 바꿀 수 있어 물리, 화학 분야는 물론 생물, 의학 분야에 이르기까지 널리 이용되고 있다. 본고에서는 최근 전기전자재료로 활발히 연구되고 있는 강유전체, 압전체 및 에너지 관련 물질들 (배터리, 연료전지)의나노 스케일 연구에 이용되고 있는 새로운 SPM 기술, PFM과 ESM에 대해 다루었다. 탐침에 전압을 가하고 그에 따른 물질의 전기역학적 변위를 측정하는 PFM과 ESM이 앞으로 국내 연구자들에게 많이 사용되었으면 한다.
- 보통 EFM과 SKPM은 비접촉모드 AFM을 기반으로 lift mode (또는 two-pass scan)를 이용하여 측정한다. 여기서는 EFM과 SKPM의 구체적인 구동방식보다는 그 원리에 대해서 간단히 소개하고자 한다. EFM은 시료의 국소적인 표면전하, 표면전위, 정전용량, 반도체에서의 불순물 농도 등을 측정할 수 있는 기술이다.
- PFM과 ESM은 모두 접촉모드 (contact mode) AFM을 기반으로 개발된 SPM 기술들로, 이에 대한 이해를 돕기 위해 우선 접촉모드 AFM의 원리와 응용에 대해서 간략히 설명할 것이다. 이후 오늘날의 PFM을있게 한 강유전체에 대한 소개를 간략히 한 후, 본격적으로 PFM 및 ESM의 원리 및 응용에 대하여 살펴보고자 한다. 본고에서 다루지 못하는 여타 SPM 기술들에 대해서는 다른 문헌들을 참고해주기 바란다.
가설 설정
- 접촉모드 AFM은 척력을 이용하며 비접촉모드 AFM은 인력을 이용한다. (b) AFM 측정방식을 설명해주는 모식도. PSPD는 position sensitive photodiode를 의미한다.
- 즉 처음에 poling 펄스를 이용하여 전 영역을 하나의 구역으로 만든 이후, 구역의 부분 스위칭을 위한 반대 방향의 펄스를 가하고 PFM으로 이미징하는 과정을 반복함으로써 구역이 어떻게 생성되고 자라는지를 관측할 수 있게 된다. 여기서 중요한 가정은 구역의 부분 스위칭을 위한 펄스를 가하고 PFM을 이미징하는 동안 그 구역의 모습이 바뀌지 않을 것이다라는 것이다 [14]. 만일 바뀐다면 이와 같이 PFM 이미징을 해서는 올바른 구역 반전 동역학 정보를 얻을 수 없다.
- 탐침에 Vtip=V0 cosωt의 교류전압을 가해주게 되면, 강유전체 물질은 s=d33V0 cos(ωt+ϕ)라는 전기역학적인 변위를 보여준다(여기서 역학적 변위는 z축 방향으로 전압을 걸었을 때 z축 방향으로만 발생하였다고 가정하였고, 그때에 해당하는 텐서 형태의 압전계수가 d33이다).
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