드브로이파(de Broglie wave)=물질파와 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscope)

[뽀야]

1924년 프랑스의 물리학자 루이 드 브로이는 이미 실험적으로 확립된 빛의 파동-입자적 성질에 대한 유추해석을 바탕으로 모든 입자는 입자의 성질뿐 아니라 파동의 성질도 가진다고 주장했다.

그후 3년이 지나 전자의 파동이 실험으로 증명되었다.

그러나 우리가 일상 생활에서 보는 물체의 파장은 전자의 파장보다 훨씬 작기 때문에 이러한 물체의 파동적 성질은 관측할 수 없으며 모두 입자처럼 행동한다.

따라서 드브로이파는 원자보다 더 작은 입자(원자구성입자)를 연구할 때 중요하다.

원자구성입자를 드브로이파로 보면 장애물을 넘을 수 있기 때문에 통상적으론 존재할 수 없다고 생각되는 곳에서도 입자가 발견되는 현상을 설명할 수 있다.

이것은 마치 소리가 벽을 뚫고 전달될 수 있는 것과 같다. 예를 들면 알파 붕괴가 일어날 때 무거운 원자핵의 일부가 떨어져 나올 수 있다.

이 핵의 조각(알파 입자)은 입자로 보면 핵을 둘러싸고 있는 힘의 장벽을 뚫기에는 에너지가 부족하지만, 파동으로 보면 그 장벽 사이로 새어 나올 수 있다. 즉 파동성을 가진 핵 조각은 핵의 바깥 부근에 나타날 확률이 있다.

그런데 핵 주위를 돌고 있는 전자의 경우처럼, 닫힌 궤도를 돌고 있는 드브로이파는 궤도의 길이가 파장의 정수배가 될 때만 존재할 수 있고, 그렇지 않으면 파는 스스로 소멸한다.

이 필요조건 때문에 원자 내의 전자는 모든 궤도를 다 이용하지 못하고 특별한 궤도만을 선택한다. 외부에서 힘을 가했을 때 입자의 파동성이 어떻게 변하는가는 슈뢰딩거 방정식이라는 양자역학의 기본 방정식을 통해서 설명할 수 있다.

터널링tunneling 이란 물리학에서 미소입자가 고전역학적으로 투과가 불가능한 힘의 장벽을 투과하는 현상을 의미한다.
이를 물질파의 장벽투과라고도 함.

이 현상은 알파입자(헬륨의 원자핵)가 어떤 방사성 원자핵으로부터 방출되는 알파 붕괴에서 처음으로 관련학계의 비상한 관심을 끌었다.

핵을 이루는 핵종들은 알파 입자들이 이겨내기 힘든 어떤 힘에 의해서 서로 결합되어 있기 때문에 알파 입자들의 터널링은 고전역학의 일반적인 이해방식으로는 설명될 수 없고 양자역학적인 설명이 필요하다.

양자역학의 기반 위에서 원자구성입자 크기의 입자들은 그들의 에너지가 고전적으로는 장벽을 넘기에 아주 작다 해도 장벽을 통해 투과해나갈 수 있다. 그 입자들은 양자역학적 파동(드브로이파)을 따르게 되는데 파동이 커지는 곳에서는 밀도가 커지고, 감소하는 곳에서는 밀도가 작아지게 된다(→ 드브로이파).

따라서 투과 불가능한 장벽을 터널링하는 것으로 보이는 알파 입자들은 실제로 그들 파동성의 자연적인 결과로서 장벽을 투과하는 것이다.

주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscope) 은 전자의 터널링 효과를 이용해 물질의 미세구조를 측정하는 장치이다.

1981년 스위스의 뤼실리콘에 있는 국제사무기기회사(IBM) 취리히 연구소의 G. 비니히와 H. 로러가 표면의 국부 전도도를 연구하기 위한 장치를 만들면서부터 주사 터널링 현미경(STM)이 출현했다.

이것의 작동 원리는 터널링이라고 알려진 양자역학적인 현상에 근거를 두고 있는데, 터널링이란 전자의 파동성 때문에 전자가 고체의 표면을 뛰어넘어 고전물리의 법칙으로는 갈 수 없을 것이라 생각되는 곳까지 뚫고나가는 현상을 일컫는다.

이렇게 터널링된 전자를 발견할 확률은 표면으로부터의 거리가 증가함에 따라 지수함수적으로 감소한다.

STM은 거리에 대한 이 극단적인 민감성을 이용하는 것이다. 텅스텐으로 만들어진 뾰족한 바늘의 끝이 시료 표면으로부터 수Å(옹스트롬) 정도의 거리에 놓인다.

이 탐침과 표면 사이에 소량의 전압을 걸어주면 전자가 이 틈 사이를 터널링하게 된다. 탐침을 표면에 걸쳐 움직이면서 터널링 전류의 변화가 기록되고 이 정보로부터 표면 지형의 상(像)을 얻을 수 있다.

비니히와 로러는 첫번째 상으로 금 표면을 선택했다.

그들은 그 상이 텔레비전 화면에 표시되었을 때 정확히 간격을 유지하는 원자열과 원자 한 1개의 높이에 해당하는 간격으로 나타나는 단지를 볼 수 있었다.

비니히와 로러는 STM으로 표면의 전자구조의 상을 직접 만들어낼 수 있는 방법을 발견했다.

이 발견은 표면과학의 새로운 시대를 열었으며 이 인상적인 성과가 인정되어 1986년 노벨 물리학상을 받았다.

설치

표면을 관찰하기 위한 이 새로운 현미경법은 ① 모든 실험실에 존재하는 자연적 진동으로부터 실험을 분리시키는 것, ② 탐침을 시료의 표면에 근접시키는 것, ③ 시료 표면을 따라 이 탐침을 주사하는 것, ④ 탐침의 끝을 날카롭게 하는 것 등 실제 기기를 설치하는 데서 생기는 4가지의 문제점 때문에 그 발달이 지연되었다.

이 문제를 해결하기 위해 비니히과 로러가 사용한 기술은 정밀하고도 간단하여 그들이 제시한 해결책은 오늘날까지도 거의 그대로 이용된다.

다른 부분이나 검경대(檢鏡臺) 안에 있는 용수철에 매달린 검경대에 시료와 주사 탐침바늘을 놓아 이들을 진동으로부터 보호한다. 이 외부 검경대는 다시 스테인리스강 틀에 들어 있는 용수철에 매단다. 이 구조에 자석과 구리판을 덧붙여 필요할 경우 검경대의 움직임을 약하게 하는 맴돌이 전류를 유도한다.

탐침바늘의 위치선정과 주사는 압전물질(전압을 가하면 늘어나거나 줄어듦)로 만들어진 삼각대 및 시료를 운반하는 금속판에 고정될 수 있는 3개의 금속대를 지닌 압전기성의 판으로 조절된다. 이 삼각대(혹은 압전기성의 판) 중 하나의 다리에 전압을 가하면 삼각대의 다른 다리(혹은 1개나 그 이상의 금속대)가 약간 움직이게 된다. 이 움직임의 방향과 크기는 모두 정확히 조절할 수 있다. 강한 전기장을 걸어주면 이 바늘이 날카롭게 되며 이로 인해 바늘의 표면에 있던 원자들이 거의 제거되고 몇 개(이상적으로는 1개)의 원자만 남게 된다.

STM은 원자 하나를 분해할 정도로 분해능이 좋은 전자현미경이다.

STM에 있는 날카로운 바늘은 주사 전자현미경(scanning electron microscope/SEM)의 그것과 유사하지만 이 두 기기의 차이는 아주 크다. SEM에서는 바늘의 아래쪽으로 몇 cm 떨어진 곳에 놓여 있는 양전하를 띤 일련의 판으로부터 전자가 빠져나온다. 바늘의 끝에 있는 전자들은 퍼텐셜 장벽 때문에 금속 내의 영역에 갇혀 있다. 판의 양전하로 인한 인력은, 전자가 이 장벽을 뛰어넘어 자유 입자상태로 진공 속으로 들어가게 될 정도로 충분하다.

아래쪽 판에 있는 틈이 전자 렌즈를 구성하며 이것이 바늘에서 나오는 분산되는 빔을 시료의 표면에 있는 초점으로 수렴하는 빔으로 바꾸어준다.

STM의 경우는 설비가 매우 간단하다. SEM에서 렌즈를 형성하는 판이 사라지고 바늘이 시료 가까이에 놓인다. 금속 내에서의 전자의 움직임과 유사하게 전자들이 장벽을 통해 움직인다. 금속 내에서는 전자가 자유로이 움직이는 입자처럼 보이지만 실제로는 그렇지 않다.

실제로 전자는 두 원자 사이에 있는 퍼텐셜 장벽을 터널링하면서 원자 사이를 움직인다. 대표적인 보기로 원자들이 5Å 떨어져 있다면 전자가 이 장벽을 뛰어넘어 인접한 원자로 옮겨가는 확률이 있게 된다. 전자들은 원자핵 주위를 움직이고 있으며 초당 1017번 장벽에 다가간다. 장벽에 다가갈 때마다 터널링될 확률은 10-4이고 따라서 전자들은 초당 1013개의 비율로 장벽을 뛰어넘는다. 이렇게 이동속도가 크다는 것은 이 움직임이 본질적으로는 연속적이며 금속의 경우 터널링이 무시될 수 있다는 것을 의미한다.

STM에서는 터널링이 매우 중요해서 무시될 수 없다.

바늘이 시료 가까이에 다가가게 되면 바늘과 표면 사이의 간격이 격자 내에서의 인접한 원자 사이의 간격과 비교될 수 있을 정도로 줄어든다. 이 경우에는 터널링된 전자가 격자 내의 인접한 원자 쪽으로나 바늘의 끝에 있는 원자 쪽으로 모두 움직일 수 있다. 바늘 끝 쪽으로의 터널링 전류로 시료 표면에서의 전자 밀도를 측정할 수 있으며 이 정보가 상에 표시된다. 규소 같은 반도체에서는 원자의 위치 부근에서 전자밀도가 최대값을 갖는다. 전자밀도의 최대값들은 상에서 밝은 반점으로 나타나며 이로부터 원자의 공간적인 분포가 분명해진다.

반면 금속의 경우 전자 전하가 전 표면에 걸쳐 균일하게 분포되어 있다. 터널링 전류상은 균일한 바탕을 보여야 하지만 실제로는 그렇지 않다. 바늘끝과 시료 사이의 상호작용은 전자밀도에 섭동을 일으켜 바늘 끝이 표면 원자의 바로 위에 있을 경우 터널링 전류가 약간 증가하게 된다. 금·백금·은·니켈·구리 등과 같은 물질의 상으로부터 원자의 주기적인 배열을 선명하게 볼 수 있다.

응용

STM으로 여러 가지 표면이 연구되었다. 금·백금·니켈·구리 등의 금속 표면에서 각 원자의 배열이 모두 정확히 입증되었다. 산소와 같은 다른 종(種)의 흡수 및 확산, 금 위에서의 금, 금 위에서의 은, 금 위에서의 니켈의 축상성장도 자세히 조사되었다.

규소의 표면은 어떤 다른 물질의 표면보다 광범위하게 연구되었다. 원자들이 '표면 재건'이라 불리는 과정을 통해 위치가 재배열되는 정도의 온도까지 진공 속에서 가열하여 이 표면을 얻는다. (111)로 표현되는 규소 표면의 재건은 아주 자세히 연구되었다. 이런 표면은 '다카야나기' 7×7 구조로 알려진 얽히고 설킨 복잡한 형태로 재건된다. 7×7 표면에서 각 원자의 위치, 화학적 반응성, 전자배치 등이 STM으로 측정되었다. (100)으로 표현되는 규소 표면의 재건은 더 간단하다. 표면 원자들이 쌍(이합체)을 이루어 이들이 각 행에 들어맞게 되어 규소 표면 전체에 확장된다.

규소와 금속층 사이의 접촉면 형성에서의 처음 단계는 수많은 STM 연구의 주제였다. 갈륨·인듐·알루미늄·금·은 등의 금속에 대해서 이 수정된 표면의 원자구조 목록이 만들어졌다. 흑연과 금 기질에 쌓이는 분자들의 내부구조 및 조직화된 움직임은 STM으로 쉽게 그 상을 볼 수 있다. 알칸 분자와 액체결정 분자의 연구는 STM으로 행해진 권위 있는 연구 중의 상당수를 차지한다. 생체분자들도 관심을 끌고 있으며 이들 분자에 대한 권위 있는 연구들이 곧 이루어질 것이다.

바늘의 끝으로부터 시료 쪽으로 전자가 진공 터널링하는 것은 바늘 끝을 둘러싸고 있는 부분이 진공이 아니라 기체나 액체 분자들로 채워져 있어도 일어날 수 있다. 바늘 끝과 시료 사이의 거리가 5Å 정도로 작다면 비록 외부대기 중에 분자들이 존재하더라도 이들이 이 사이에 있을 공간은 거의 없다. STM은 초진공뿐만 아니라 분자들로 둘러싸인 대기 중에서도 작동할 수 있다. 실제로 공기 중에서나 물 속, 절연유체 속에서나 전기화학에서 사용되는 이온성 용액에서도 STM이 작동했다. 이는 극초진공 기기보다 훨씬 더 편리하다. 초진공상태를 이용하는 이유는 STM의 성능을 높이기 위해서가 아니라 시료 표면을 깨끗하게 하기 위해서이다.

STM은 액체 헬륨 온도인 4K(캘빈) 이하까지 냉각될 수 있으며 500℃(773K) 이상으로 가열될 수도 있다. 낮은 온도는 초전도 물질의 특성을 연구하는 데 이용되고 높은 온도는 금속 표면을 가로지르는 원자의 빠른 확산 및 이들의 부식을 연구하기 위해 이용된다. STM은 주로 상을 얻기 위해 이용되지만 다른 형태도 많이 개척되었다. 바늘 끝과 시료 사이의 강한 전기장은 시료 표면을 따라 원자를 움직이는 데 사용되었다. 또한 여러 기체의 부식률을 높이는 데도 이용되었다.

한 가지 예를 들면 4V의 전압을 걸어주었을 경우 바늘 끝의 전기장이 충분히 세어져서 바늘 끝으로부터 원자가 제거되어 이들이 기질에 쌓이게 되었다. 금으로 된 바늘 끝을 써서 몇 백 개의 금 원자로 이루어진 작은 금덩어리를 기질에 만드는 데 이 과정이 이용되었다. 이러한 나노 구조(nanostructure)는 지금까지 전례가 없는 규모의 표면을 만드는 데 이용된다.→ 현미경