▶STM (Scanning Tunneling Microscope)
Tip과 Sample은 닿지 않아야 합니다. 닿지는 안되 많이 가까운 상태에 가야합니다. 가까운 상태가 되면 터널링 현상이 발생합니다. 이를 Qunatum mechanical Tunneling이라 합니다. 이 현상은 Tip과 Sample의 표면이 가까울 수록 커집니다. 아무튼 샘플의 표면을 보면 입자 하나하나가 구의 형태를 띠고 있음을 알 수 있습니다.
그러면 볼록 튀어나온부분과 들어가는 부분이 항상 있겠죠? 이 부분을 통해서 Sample의 표면 구조를 파악할 수 있습니다.
이 시료를 보면 대충 LDOS가 대충 2부근이 정상적인 표면이라고 가정하겠습니다. 근데 Energy부분이 1,0 1,5인 부분에서 갑자기 높은 피크가 관측되었습니다. 이 뜻은 표면에 불순물이 존재한다는 의미입니다.
▶ HREM (TEM)
- high resolution electron microscope라고 부릅니다. TEM으로 많이 알려져있는데요. 빔이 샘플을 투과하면서 회절현상이 일어나게 됩니다. 이 때, 회절현상이 일어난 입자들을 관찰함으로써 시료의 내부구조를 파악하는 방법입니다.
위 그림에서 굉장히 잘 나와있죠? TEM의 경우는 시료를 투과한 빔에 주목하면 됩니다. 시료를 투과하면서 일부 입자들이 회절현상이 일어난 것을 알 수 있게 됩니다.
이렇게 STM, TEM과 같이 직접적으로 알 수 있는 것을 Direct observation으로 분류합니다.
그렇다면 TEM에서 말하는 회절현상이라는 것은 무엇일까요?
▶ 회절 현상 (Diffraction)
자, 저렇게 평면파 형태로 진행되다가, 장애물을 만났습니다. 광학에서는 이를 슬릿이라고 부르죠? 어쨌든 이 슬릿과 만나면서 아주 작은 틈에서만 삐져나가게 됩니다. 이 때, 평면파가 구면파로 바뀌면서 장애물의 그림자부분까지 퍼져나가게 됩니다. 우리는 이 '그림자'를 토대로 역으로 추정하여 장애물이 어떠한 모습을 띠겠구나~ 유추할 수 있습니다.
이러한 방법을 통해서 시료 내부 구조를 파악할 수 있게 되는 것입니다. 물론 다 컴퓨터가 알아서 그려줍니다 ㅎㅎ
그러면 회절 현상의 발견 이후로 시작된 여러 법칙들 중, 대표적으로 '브래그 법칙' 에 대해 배워보도록 하겠습니다.
▶ 브래그 법칙 (Bragg's law)
자, 시료에다가 Incident beam (입사파)을 시료에 쬐어봅시다. 그러면 보시는 바와 같이 입사파와 반사파는 각각 시료의 표면 사이의 '각도'를 얻게 됩니다. 이 각도와 선분TQ를 주목합시다. 이들 사이에서는 한 가지 공식이 나오게 되는데요.
공식은 다음과 같습니다. nλ=2dsinΘ n은 정수배를 의미하며, 이건 걍 주어질 겁니다. 람다는 당연히 파장을 의미하구요. d는 A,B사이의 거리를 의미합니다. 브래그 법칙에서의 조건은 먼저 반사의 법칙이 전제가 되어야 합니다. 아무튼 위 공식이 성립한다면 빛은 회절한다! 라고 정의내릴 수 있겠습니다.
다음은 브래그 법칙을 토대로 얻은 그래프입니다.
y축은 강도를, x축은 각도를 보여주고 있습니다. 어떠한 각도를 가지고 강도를 가짐에 따라 이 시료가 무엇인지 유추할 수 있습니다. 그러나, 브래그 법칙은 왜 저러한 강도와 각도를 가지는지에 대한 완전한 설명을 하지 못한다는 점에서 단점이 있습니다. 그래서 이를 보완하기 위해 등장한 이론이 '라우에 이론'이 되겠습니다. 이는 다음 포스팅에서 이어집니다.