Construction of a versatile tip-making stage for scanning tunneling microscopy

Abstract

주사 터널링 현미경 (scanning tunneling microscope)은 현존하는 현미경 중 가장 높은 해상력을 가진 장비이다. 금속 터널링 접합 사이의 양자 터널링 효과를 이용하여 원자 수준의 표면 이미지를 얻을 수 있는데, 이를 위해서는 터널링 접합을 구성하는 탐침이 무디지 않아야 하고, 탐침과 시료 사이의 거리가 수 나노미터 수준으로 가까워야 한다. 본 연구에서는 주사 터널링 현미경의 탐침을 만들 수 있는 장치를 제작하였다. 연구의 목적에 따라 다양한 종류의 탐침이 사용될 수 있는데, 일반적으로 주사 터널링 현미경에 가장 많이 사용되는 것은 텅스텐 탐침이다. 스핀 분극 주사 터널링 현미경 (spin-polarized scanning tunneling microscope)에는 연구하는 시료 종류에 따라 크롬 탐침이나 니켈 탐침 등이 활용될 수 있다. 필자는 이 시스템을 활용하여 텅스텐, 크롬, 그리고 니켈 탐침을 모두 제작하는 데 성공하였다. 두 번째 연구에서는 텅스텐 탐침을 활용하여 금의 표면을 관측하였다. 아무리 잘 만들어진 탐침이라고 하여도 주사 터널링 현미경 내에서 적절한 처리 방법을 거쳐야 좋은 해상도의 이미지를 제공할 수 있다. 금은 연성이 뛰어나고 전도성이 뛰어나 좋은 탐침 상태를 만들기에 적합한 물질이다. 따라서 금 표면을 활용하여 탐침 상태를 개선하고, 금의 표면을 관측할 수 있었다. 금의 표면을 관측하던 중, 탐침 상태의 지표가 될 수 있는 뾰족한 지형을 발견하였다. 탐침과 시료 사이의 호혜성 원리 (principle of reciprocity)에 의하면, 주사 터널링 현미경의 이미지는 탐침과 시료의 상태 밀도의 콘볼루션으로 나타난다. 따라서 탐침은 적어도 해당 이미지보다는 뾰족해야 함을 알 수 있다. 이로부터 탐침의 끝은 수 나노미터 수준에서 뾰족하고, 좋은 상태임을 유추할 수 있었다.

In this dissertation work, I demonstrated that the system I built can successfully produce metal tips for scanning tunneling microscopy (STM). The system can electrochemically etch tips from a variety of materials: W tip for typical STM, and ferromagnetic (e.g. Ni) tip or antiferromagnetic (e.g. Cr) tip for spin-polarized STM. In the second phase of research, the quality of a W tip was tested by scanning a gold sample using a home-made cryogenic STM. After suitable ex-situ/in-situ treatments for the tip and the sample, clear images of the gold surface was obtained. During the scan, a sharp feature that reflects the state of the tip apex was found. By applying the principle of reciprocity between the tip and the sample, I was able to show that the tip apex is very sharp at nanoscale and is indeed in good condition.