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____ ___ _Scanning Electron Microscope_

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____ ___ _Scanning Electron Microscope_ Powered By Docstoc
					http://www.mrl.ucsb.edu/mrl/centralfacilities/xray/xray-basics/index.html

http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/camphy/xraydiffraction/xraydiffraction1_1.htm



This is intended as a (very) brief introduction to some of the common x-
ray diffraction techniques used in materials characterization. It is designed
for people who are novices in this field but are interested in using the
techniques in their research. Extensive and authoritative discussions can
be found in the numerous books and journal articles on this subject. Some
references are listed below.
이장은 재료 분석을 위해 사용되는 일반적인 X-선 회절법의 기본적인 사항
을 설명하고자 한다. 재료 연구를 위해 X-선 회절법을 사용하고 싶지만 초
보자인 사람들의 위해 쉽게 설명하고자 한다. X-선에 관해 많은 문헌들이 나
와 있으니 더 전문적이 지식이 필요한 사람은 읽어 보기 바란다.


1. Röntgen's 'X'-Rays

In November 1895, Wilhelm Röntgen
discovered X-rays while working at the
University of Wurzburg, Germany. Röntgen
was investigating cathode rays in different
types of evacuated glass tubes and trying
to determine their range in air. He noticed
that while the rays were being produced, a
screen coated in fluorescent barium
platinocyanide would glow. He was
intrigued because the screen was too far
from the tube to be affected by the cathode
rays.

1895 년 11 월에 Wilhelm Röntgen 은 독일의 Wurzburg 대학에서 일하는
동안에 X-선을 발견했다. Röntgend 은 다른 형태의 진공관에서 음극선을
조사하고 공기중에서 그들의 범위를 결정하려고 하고 있었다. 그때 그는
형광 바륨 플라티노시아나이드로 도포된 스크린이 빛나는 것으로부터 전혀
알지 못하는 선이 생성되는 것을 발견하였다. 그는 스크린이 진공관으로부터
너무 멀어 음극선이 영향을 미치지 못한다는 것을 알고 있으므로 호기심이
발동했다.

He assumed unkown rays, X-rays, were being emitted from the walls
of the tube while the cathode ray tube was running. To his
amazement, Röntgen found that the rays could pass straight through
his hand and cast shadows of his bones on the fluorescent screen. He
spent several weeks privately investigating the rays before publishing
his results at the end of the year.

그래서 그는 그 알지 못하는 선 „X-선‟을 음극선관이 작동하는 동안에 관의
벽으로부터 방출되는것이라고 가정하였다. 놀랍게도, Röntgen 은 그 선이
그의 손을 통과 해서 형광 스크린에 그의 뼈의 그림자가 형성되는 것을
관찰하였다. 그는 그해말에 그 결과를 발표하기 전에 그 선을 조사하기 위해
몇주를 소비하였다.

Röntgen's paper described many of the properties of X-rays. He
showed that they were:

     very penetrating and were able to pass through materials that
      are opaque to visible light.
     invisible to the human eye.
     would cause many types of material to fluoresce and could be
      recorded on photographic paper.

They were named 'rays' because they moved in straight lines like
visible light.

Röntgen 의 논문은 X-선에 관한 많은 특성을 서술하였다.

1) X-선은 침투성이 강하고 가시광선이 통과할 수 없는 물질을 통과할 수
있다.

2) X-선은 사람의 눈으로는 볼 수 없다

3) X-선은 많은 형태의 물질을 형광을 띠게 하고 사진용 건판에 기록할 수
있다.
X-선이 선 “Ray”라고 명명된 이유는 광선과 같이 직진하는 특성때문이다.




2. Waves or Particles?

X-rays were soon reproduced in laboratories around the world. They
were found to have a medical use, because the penetrating radiation
could guide a surgeon before surgery began. X-rays could show
damaged bones, or locate a bullet beneath the patient's skin.

For his discovery, Röntgen was awarded the very first Nobel Prize in
Physics in 1901. At the presentation speech it was noted that much
success would be gained in physics "when this strange energy form is
sufficiently investigated and its wide field thoroughly explored". The
first question was whether the X-rays behaved as waves or particles.

2. X-선은 입자일까 파동일까?

X-선은 세계의 도처에 있는 실험실에서 만들어지기 시작했다. 침투하는
복사선이 외과수술을 하기 전에 외과 의사에게 지침을 줄 수 있다는 점
때문에 X-선은 의학적 용도가 있음이 알려졌다. X-선은 부러진 뼈를
보여주고 환자의 피부아래에 존재하는 총알의 위치를 알려줄 수 있다.
Röntgen 은 이 발견으로 인해 1901 년에 최초의 노벨 물리학상을 수상했다.
수상연설에서 그는 이 이상한 에너지 형태가 충분히 조사되고 그 넓은 범위
철저히 조사되고 나서 물리학은 더 많은 성공을 이루어 냈음을 그는
지적하였다. 그 첫번째 질문은 X-선 거동이 파동인가 아니면 입자인가였다.

One physicist who studied the rays was Max von Laue in Germany.
Laue believed that X-rays were similar to light waves and not some
form of tiny particle. In 1905 Charles Barkla in Edinburgh had shown
that X-rays could be polarised, but the rays could not be made to
refract. If they were waves, they must have a very short wavelength.

Von Laue's colleague, Wilhelm Wien, calculated that the wavelength
should be around one hundredth of a nanometre, ten thousand times
shorter than the wavelength of visible light. Von Laue had been
studying the diffraction of light using narrow slits and wondered if X-
rays could also be diffracted if the slits were small enough.

독일에 있는 Max von Laue 는 x-ray 를 연구하고 있었는데, 그는 X-선은
광파와 유사하며 작은입자가 아닐것이라고 믿고 있었다. 1905 년에
Edinburg 에 있는 Charles Barkla 는 X-선이 편광되는 것을 보였는데 굴절
되지는 않았다. 이점으로부터 만약 X-선이 파동이라면, 아마도 짧은 파도을
갖어야만 한다. Laue 의 동료인 Wilhelm Wien 은 X-선의 파장이
nanometer 의 100 분의 1 이라고 계산해 내었는데, 이는 가시광선
파장보다 1000 배나 짧은 파장이다. Laue 는 좁은 슬릿을 사용해서 빛의
회절을 연구하고 있었는데, X-선이 충분히 작은 슬릿을 통과할 때 회절될
것인가에 의문을 품고 있었다.


3. Diffraction

When a wave hits an object then the region immediately behind that
object is protected from the wave and doesn't experience it at all.
Shadows are an example of this. Waves of light are blocked by
something physical, so the region immediately behind the object
doesn't experience those waves and is darker.

But shadows are sharper close to an object than they are further
from it. This is due to diffraction. Waves that pass the object change
their direction of travel slightly. The wave that just missed the object
spreads in a circle or sphere, into the space behind the object. This is
why shadows become more blurred further away from the object that
casts them. Eventually the spherically spreading waves from each
edge of the obstacle may even meet up.

3. 회절

파동이 물체와 충돌하면 그 물체의 뒷부분은 파동이 막히게 되어 더 이상
파동을 느낄 수 없다. 그림자가 이것의 예이다. 빛의 파동은 물리적인 것에
막히게 되면 그 물체이 뒷부분은 더 이상 파동을 느낄 수 없고 어두워진다.
그림자가 물체와 가까워지면 멀리 있는 경우보도 더 선명하다. 이는 회절에
기인한다. 물체를 통과하는 파동은 원형이나 구형으로 퍼져 물체 뒤의
공간으로 들어간다. 이는 왜 그림자가 물체로부터 멀리 떨어질 때
흐려지는가를 설명해준다. 결국 장애물의 각각의 가장자리로부터 구형으로
퍼진 파동은 다신 만나게 된다.




4. Huygen's Principle

The reason for the diffraction effect was explained by the Dutch
physicist and mathematician Christian Huygens in 1678. He showed
that any wave can be thought of as spreading spherically at every
point along its wavefront. All these little spherical 'wavelets' are
constantly interacting, so can maintain a planar (or flat) wavefront.
But if this wavefront is interrupted by an obstacle the wave spreads
spherically at the points where it has been broken.

회절 효과에 대한 이유는 네덜란드의 물리학자이며 수학자인 Christian
Huygens 에 의해 1678 년에 설명되었다. 그는 어떠한 파동도 파면을 따라
모든 점에서 구형으로 퍼진다고 생각하였다. 이런 작은 모든 구형의
잔물결은 끊임없이 상호작용을 하고 평면 파면을 유지한다. 하지만 만약 이
파면이 장애물에 의해 간섭을 받으면, 파동은 깨어진 모든점에서 구형으로
퍼진다.

Diffraction gratings work by splitting a planar wavefront at many
regular points. The wavelets which pass through the gaps in the
grating will spread spherically and interfere with each other. When
several wavelets are in phase with each other they will add together
and produce a strong signal in a detector, and if they are out of
phase they will cancel out and produce a very weak signal. Diffraction
patterns made with light will show successive bright and dark areas
demonstrating the differences in phase between several wavelets.

회절 격자는 많은 규칙적인 점에서 평면파면을 분리한다. 격자의 틈을
통과하는 잔물결은 구형으로 퍼지고 각각 간섭한다.
5. Von Laue's Crystals

The spacing of slits in a diffraction grating has to be comparable to
the wavelength of the waves being diffracted. Von Laue realised that
a crystal could be used as a diffraction grating for X-rays. In 1850
Bravais had suggested that a crystal is arranged as a lattice, and the
distance between molecules in a solid is around a tenth of a
nanometre. If the X-rays were a wave the atoms in a crystal should
cause them to diffract.

회절 격자에서 슬릿의 간격은 회절되는 파동의 파장에 유사해야 한다.
Laue 는 결정은 X-선의 회절격자로서 사용될 수 있음을 인식하였다.
1850 년에 Bravais 는 결정은 격자로 배열되어 있다고 제안하였고 고체내
분자의 거리는 나노미터의 10 분의 1 이라고 하였다. 만약 X-선이
파동이라면 결정내 원자는 X-선을 회절 시켜야 한다.

X-rays were allowed into a lead box containing a crystal, with
sensitive film behind and to the sides. When the films were developed
there was a large central point from the incident X-rays, but also
many smaller points in a regular pattern. These could only be due to
the diffraction of the incident beam and the interference of many
beams.

X-선이 결정을 포함하는 뒤면과 옆면에 민감한 필름이 있는 납으로
만들어진 박스에 들어가면 그 필름은 현상이 되고 입사 X-선으로부터
기인한 커다란 중앙점이 생기고 규칙적인 형태의 매우 작은 점들이 생긴다.
이들은 입사빔의 회절뿐만이 아니라 많은 빔의 간섭효과에 의한다.

Von Laue published his discovery in 1912, more than ten years after
the discovery of X-rays. By using a crystal as a diffraction grating,
von Laue had proved the X-rays were not particles, but waves of light
with very small wavelengths.

Von Laue 는 X-선의 발견후 10 년후인 1912 년에 그의 발견을 출판하였다.
회절격자로서 결정을 사용함으로서 Von Laue 는 X-선은 입자가 아니라
매우 작은 파장을 갖는 빛과 같은 파동이라는 점을 밝혀 냈다.
6. Lawrence Bragg in Cambridge

Von Laue had proved that X-rays were waves by diffracting them with
a crystal. He had recorded his results photographically, with bright
spots showing points where many X-rays were in phase with each
other. There were a large number of points where these spots
appeared to be 'missing'. Diffracted beams of X-rays were expected
in these directions, but didn't seem to occur. Von Laue suggested that
the X-rays must contain only certain wavelengths to account for the
missing diffracted beams.

Von Laue 가 X-선은 결정에 의해 회절 된다는 점을 증명하였고 그의
결과를 사진으로 기록하였다. 사진위의 밝은 점은 X-선이 서로 같은 위상에
있다는 점을 말해준다. 이런 점들이 빠져 버린 많은 수의 점이 있다. X-선의
회절빔은 이들 방향을 예견할 수 있지만 발생할 것 같아 보이지는 않는다.
Von Laue 는 X-선은 빠져버린 회절빔을 설명할 수 있는 일정한 파장을
포함해야 한다고 제안하였다.

William Lawrence Bragg wasn't convinced by this
explanation. In the Autumn of 1912 Lawrence
Bragg had just received his degree in Natural
Sciences from Cambridge and he began
investigating Von Laue's X-ray patterns. Lawrence
Bragg thought that X-rays must be made up of a
continuous spectrum of all possible wavelengths
in the same way that white light is made of a
spectrum of all the possible colours. If this was
true then the 'missing' directions of diffraction
wouldn't be due to the wavelength of the X-rays,
but due to some property of the crystal being
examined.

윌리엄 로렌스 브래그는 이러한 설명을 확신하지 않았다. 1912 년 가을
로렌스 브래그는 캐임브리지대학 자연과학부에서 박사학위를 받았고 Von
Laue 의 X-선 무늬를 조사하기 시작했다. 로렌스 브래그는 X-선은 모든
가능한 파장의 연속적인 스펙트럼으로 구성되어 있다고 생각하였다.
Lawrence Bragg thought of each plane of atoms in a crystal as a
reflecting surface. The X-rays would hit each plane of atoms in turn,
reflecting first off the surface layer, then the one below it, and so on.
If the X-rays reflected off all the surfaces were in phase, with their
peaks and troughs all aligned, then a very strong signal could be
measured from the reflection.

로렌스 브래그는 결정에서 원자의 각 평면을 X-선의 반사면으로 생각했다.
X-선은 원자의 표면을 차례로 충돌한다. 예를들면 표면층을 반사하면
나머지 X-선이 다음 원자면을 반사하는 식으로 반사한다. 만약 각 표면들을
반사한 X-선들이 피크와 피크사이의 골이 잘 정련된 같은 위상이라면 매우
강한 신호가 반사로부터 측정된다.


7. Bragg's Law

An X-ray which reflects from the surface of a substance has travelled
less distance than an X-ray which reflects from a plane of atoms
inside the crystal. The penetrating X-ray travels down to the internal
layer, reflects, and travels back over the same distance before being
back at the surface. The distance travelled depends on the separation
of the layers and the angle at which the X-ray entered the material.
For this wave to be in phase with the wave which reflected from the
surface it needs to have travelled a whole number of wavelengths
while inside the material. Bragg expressed this in an equation now
known as Bragg's Law:

물질의 표면으로부터 반사된 X-선은 결정내의 원자 평면으로부터 반사한 X-
선 보다 작은 거리를 이동한다. 침투하는 X-선은 내부층으로 이동해
들어가고 반사하며 표면으로 돌아가기 전에 같은 거리를 이동한다.
이동거리는 층의 분리 거리와 X-선이 물질에 입사하는 각에 의존한다.
표면으로부터 반사된 파동과 같은 위상에 있기 위해서는 물질내를 이동하는
파동은 파장의 정수배가 되어야 한다. Bragg 는 이를 방정식으로
표현하였는데, 이 식이 Bragg 법칙이다.
When n is an integer (1, 2, 3 etc.) the reflected waves from different
layers are perfectly in phase with each other and produce a bright
point on a piece of photographic film. Otherwise the waves are not in
phase, and will either be missing or feint.

n 이 정수이면 (1,2,3 등등) 다른 층으로부터 반사된 파동은 서로 같은
위상에 있으며 사진 필름에 매우 밝은 점을 만들어 낸다. 그렇지 않은
경우는 파동들이 같은 위상에 있지 않고 흐리거나 없어진다.


8. Explaining Crystal Structure

Bragg compared his new equation with the results that von Laue's
group had published. His explanation seemed far more satisfying than
von Laue's, as it didn't require that only certain wavelengths be
present.

Bragg 는 Von Laue 의 결과와 그의 식을 비교 하였고 결과를 출판하였다.
그의 설명은 어떤 일정한 파동이 존재해야 한다는 Von Laue 의 설명보다 더
만족스러워 보였다.

In one experiment, the group in Germany had rotated the crystal by
3 degrees. The resulting X-ray diffraction pattern had moved by 6
degrees. This is the expected angle if the rays were reflecting off the
crystal, so confirming Bragg's theory that the diffraction could be
considered as reflection from planes in the crystal.

한 실험에서 독일은 연구팀은 결정을 3 도 회전을 시켰다. 결과적인 X-선
회절 무늬는 6 도 움직였다. 이는 만약 X-선이 결정으로 반사될 겨우 예견된
각도이다. 그래서 회절에 관한 Bragg 이론은 결정의 평면으로부터 반사된
것을 확증 시켜 준다.

The most satisfying result was on von Laue's photograph of
diffraction from zincblende crystals. Von Laue had assumed that
atoms in zincblende are arranged in a simple cubic lattice, but if this
was true Bragg's Law wouldn't explain the diffraction pattern. But if
the arrangement of atoms was slightly different, arranged in a face
centred cubic lattice, the diffraction pattern was explained perfectly.

가장 만족스런 결과는 Zincblende 결정으로부터 얻어진 Von Laue 의 회절
사진이다. Von Laue 는 zincblende 구조가 단순한 입방 격자 구조라고
가정하였다. 하지만 이것이 사실이라면, Bragg 법칙은 회절 무늬를 설명
해줄 수 없다. 그러나 원자의 배열이 약간 다르다면, 즉 면심입방 구조라면
회절 무늬는 완전하게 설명된다.

Not only did Bragg's Law work, but it could be used to work out how
atoms are arranged inside a solid crystal!

Bragg 법칙은 작 적용될 뿐만 아니라 고체내의 원자가 어떻게 배열되어
있는 지를 잘 설명해준다.


9. Father and Son

Lawrence Bragg had produced a Law of X-ray diffraction that
explained Von Laue's results far more satisfactorily than Von Laue's
own explanations. But Bragg, who had just returned to Cambridge as
a research student, had only limited resources with which to test his
theory.

Lawrence Bragg 는 Von Laue 의 실험결과를 Von Laue 자신의 설명보다
더 만족스러운 X-선 회절 법칙을 만들어 내었다. 하지만 연구생으로
캐임브리지에 돌아온 Bragg 는 그의 이론을 확인할 방법이 제한적이었다.

Lawrence Bragg presented his ideas to his father, William Henry
Bragg, the Cavendish Professor of Physics at the University of Leeds.
Until 1912 W.H. Bragg had believed that X-rays must be some kind of
neutral particle, but von Laue's discovery had quickly convinced him
that X-rays were waves. In 1913 W.H. Bragg designed and made an
X-ray spectrometer that would allow many types of crystals to be
investigated using his son's theory.

Lawrence Bragg 는 그의 아이디어를 Leeds 대학에 Cavendish 물리학
교수인 그의 아버지 William Henry Bragg 에게 설명하였다. 1912 년까지
W.H. Bragg 는 X-선은 어떤 종류의 중성 입자일 것이라고 믿었다. 하지만
Von Laue 의 발견은 그로 하여금 X-선이 파동이라고 확신시켰다.
1913 년에 W.H. Bragg 는 그의 아들의 이론을 사용해서 많은 형태의
결정을 조사할 수 있는 X-선 분광계(X-ray spectrometer)를 고안하고
만들어 내었다.

The collaboration between the two Braggs led many people to believe
that it was the father, not the son, who had come up with 'Bragg's
Law'. This distressed Lawrence Bragg, who was only 22 and trying to
establish his own reputation. Although Bragg's father made every
attempt to correct anyone who made this mistake, there was a
lasting difficulty between the two men. A few days before his death in
1971 Lawrence wrote to his friend Max Perutz, "I hope that there are
many things your son is tremendously good at which you can't do at
all, because that is the best foundation for a father-son relationship".

아버지 Bragg 와 아들 Bragg 사이의 협력은 많은 사람들로 하여금 Bragg
법칙은 아들이 아니라 아버지 Bragg 가 생각해 내었다고 믿게 만들었다.
이는 자신의 명성을 얻고 싶은 22 살 짜리 Lawrence Bragg 를 실망스럽게
만들었다. 비록 Bragg 아버지가 그 아들이 했던 모든 실수를 고쳐 주었다
할 지라도 두사람 사이에 오랜도록 존재했던 어려움이 있었다. 1971 년
사망 직전 Lawrence Bagg 는 그의 친구 Max Peruts 에게 편지를 보냈는데




10. The X-ray Spectrometer
To examine the reflection of X-rays
from crystals at various angles,
Bragg's father developed the X-ray
spectrometer in Leeds. X-rays were
passed through slits to produce a
narrow beam, which fell on a crystal
at the centre of the spectrometer.
The reflected beam was then
measured in an ionisation chamber,
finding the strength as well as
direction of reflected beams.

다양한 결정으로부터 X-선의 반사를 연구하기, Bragg 의 아버지 Leeds
대학에서 X-선 분광계를 개발했다. X-선은 좁은 빔을 만들기 위해 슬릿을
통과 시키고 분광계의 중심에 있는 결정을 향한다. 그리고 반사된 빔은
반사된 빕의 방향 뿐만 아니라 강도를 구하기 위해서 이온화 챔버에서
측정되었다.

By changing the angle of the incident X-rays, W.H. Bragg measured
the reflections at different angles from the faces of the crystal. He
found that very strong reflections occured at certain angles. These
strong reflections depended on the spacing of the planes of atoms
inside the crystal, according to his son Bragg's Law. By measuring all
the angles at which strong reflections occurred, the Braggs worked
out the arrangement of individual atoms inside the crystals.

입사된 X-선의 각도를 변화함으로써, W.H. Bragg 는 결정면으로부터 다른
각도에서 반사를 측정하였다. 그는 어떤각도에서 발생하는 매우 강한 반사를
발견하였다. 이들 강한 반사는 그의 아들 Bragg 의 법칙에 따라 결정내
원자면의 간격에 의존한다는 것을 알아내었다. 강한 반사가 발생하는 모든
각도를 측정함으로써 Bragg 는 결정내 개개 원자의 배열을 해석해 내었다.

W.H. Bragg continued to study X-rays and improve the X-ray
spectrometer, while his son Lawrence analysed the arrangements of
atoms inside different crystals. Together they created the science of
X-ray crystallography.
W.H. Bragg 는 그의 아들이 다른 결정내의 원자배열을 분석하는 동안에 X-
선을 계속하여 연구하면서 X-선 분광계를 개선하였다. 둘 Bragg 부자는 X-
선 결정학의 과학 분야를 창출하였다.


11. More complicated crystals

Lawrence Bragg had already found the correct internal structure of
zincblende. Using the spectrometer the Braggs could investigate more
complex crystals.

Lawrence Bragg 는 zincblende 의 올바른 내부구조를 이미 알아내었고
분광계를 이용해서 Bragg 부자는 더욱 복잡한 결정을 연구하였다.

Their most famous investigation was finding the structure of common
table salt, sodium chloride. Using X-ray diffraction the Braggs found
that the sodium and chloride ions were arranged in a simple cubic
lattice, and were not bonded into molecules. This discovery was very
important in chemistry, where the principles of covalent and ionic
bonding were being developed.

두 부자의 가장 유명한 연구는 일반적인 식탁용 소금인, 염화나트륨 구조의
발견이다. X-ray 회절을 사용해서 Bragg 부자는 나트륨과 염화이온이
분자로 형성되어 결합된 것이 아니라 단순한 입방격자로 배열되어 있다는
것을 알게 되었다. 이 사실은 화학에서 매우 중요한 사실로 공유결합과
이온결합이 원리가 개발되었다.

The Braggs also discovered the crystal structure of diamond. The X-
ray diffraction pattern of diamond showed that atoms of carbon must
lie on a face-centred cube. By measuring the angles at which
diffracted rays emerged, the separation between atoms could be
found, giving the dimensions of these tiny cubes. The Braggs already
knew the density of diamond, and worked out that these cubes must
each contain eight carbon atoms. So the structure of diamond had to
be two overlapping face-centred cubic lattices. The Braggs worked
out their relative positions by investigating the interference of the
diffracted X-rays.
Bragg 부자는 또한 다이아몬드의 결정구조를 발견하였다. 다이아몬드의 X-
선 회절 무늬는 탄소원자들이 면심입방에 있어야 된다는 점을 보여주었다.
회절빔이 발출하는 각도를 측정함으로써 원자들 사이의 거리를 알수 있고,
이 작은 입방체의 크기를 결정할 수 있다. Bragg 부자는 이미 다이아몬드의
밀도를 알아내었고, 이로부터 이들 입방체는 여덟개의 탄소 원자를 포함해야
한다는 추론해 내었다. Bagg 부자는 회절 X-선의 간섭을 조사함으로써
그원자들의 상대위치를 알아내었다.

The Braggs made so many discoveries that Lawrence described the
first few years as 'like looking for gold and finding nuggets lying
around everywhere.' In 1915, the Braggs were jointly awarded the
Nobel Prize in Physics for their 'services in the analysis of crystal
structure by means of X-rays'. Lawrence Bragg was only twenty-five
years old, the youngest Laureate ever to receive a Nobel Prize.

Bragg 부자는 너무도 많은 발견들을 하였으므로 Lawrence 는 처음 몇
년을 도처에 존재하는 금광과 귀금속 덩어리를 찾는 일과 같다고
서술하였다. 1915 년에 Bragg 부자는 X-선을 이용한 결정구조의 분석에
있어서의 성과를 인정 받아 노벨 물리학상을 공동 수상하였다. Lawrence
Bragg 는 그때 단지 25 세이었고 최연소 노벨상 수상자가 되었다.


12. Modern imaging

X-rays gave scientists the first method for examining the
arrangement of atoms inside matter. X-rays, with wavelengths a
thousand times smaller than the wavelengths of visible light, allowed
Bragg and others to look through otherwise solid objects at atoms so
small they can never be seen with visible light.

X-선은 물질내 원자의 배열을 확인하기 위해 첫번째로 시도하는 방법이
되었다. 가사광선의 파장보다 1000 배 이상 작은 파장을 갖는 X-선은
Bragg 와 다른 연구자들이 너무 작아서 가시광선으로는 전혀 볼 수 없는
고체물질을 볼 수 있도록 해주었다.

Their techniques were developed around the world. In America,
powder diffraction was developed by Debye. Rather than aligning
different faces of his crystals at right angles to the X-rays, Debye
ground his crystals down. A single X-ray would hit all the possible
planes of atoms in this crystal powder, and the reflections could then
be measured on a film wrapped completely around the experiment.
In 1953 X-ray crystallography was used to find the Double Helix
structure of DNA.

그 기술들은 세계 도처에서 개발되었다. 미국의 Debye 는 분말회절을
개발하였다. X-선에 대해 결정면을 직각으로 배열하기 보다는 결정을 분말로
작게 가는 방법이다. 한 X-선이 결정 분말 원자의 가능한 모든 면을
충돌하면 반사된 빔들이 장비를 완전히 둘러싼 필름에 측정된다. 1953 년에
X-선 결정학을 사용해서 DNA 의 이중나선구조가 발견되었다.

Today we have many other ways of seeing inside objects. Computed
Tomography (CT) uses many X-ray slices at different angles to build
up three dimensional images inside the body. Ultrasound uses echoes
from sound waves to locate different organs inside the body, and can
be used to monitor the growth of unborn babies. Magnetic Resonance
Imaging (MRI, or NMR) uses powerful magnets to measure the water
content of different types of body tissue. It is a slow process, but
generates incredibly detailed images of the body. Positron Emission
Tomography (PET) detects radioactive tracers that are injected into
the body, and Electroencephalography (EEG) detects electrical
activity in the brain. Physics has allowed us to develop some of the
most powerful diagnostic tools used in medicine.

오늘날 물체의 내부를 보는 다른 많은 방법이 있다. 단층 촬영 (Computed
Tomography)은 인체내부의 3 차원 영상을 얻기 위하여 여러 다른
각도에서 많은 X-선 슬라이스를 사용한다. 초음파는 인체내에 있는 여러
곳에 있는 장기들로부터 음파의 반향 현상을 이용한다. 그래서 태어나지
않은 아이의 성장의 상태를 살펴볼 수 있다. 핵자기 공명 영상법(Magnetic
Resonance Imaging)은 여러형태의 인체 조직에 함유한 수분의 양을
측정하기 위해 강력한 자석을 사용한다. 이는 매우 느린 과정으로 인체에
관해 엄청나게 자세한 영상을 제공한다. 양성자 방출 단층 촬영(Positiron
Emission   tomography)은     인체에     주입된     방사능     추적자를      검출한다.
00000000000
Bragg's Law Demonstration

The directions in which X-rays are scattered depends on several
factors, expressed in Bragg's Law. Try varying the wavlength of the
rays, the angle at which they hit the surface, and the spacing of
atoms within the crystal, to see how they affect the phase of the
reflected rays.




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                      X-ray Generation & Properties

  X-rays are electromagnetic radiation with typical photon energies in the
    range of 100 eV - 100 keV. For diffraction applications, only short
  wavelength x-rays (hard x-rays) in the range of a few angstroms to 0.1
angstrom (1 keV - 120 keV) are used. Because the wavelength of x-rays is
  comparable to the size of atoms, they are ideally suited for probing the
    structural arrangement of atoms and molecules in a wide range of
 materials. The energetic x-rays can penetrate deep into the materials and
                provide information about the bulk structure.

X-선은 100eV 에서 100keV 의 범위의 전형적인 광자에너지를 갖는
전형적인 전자기 복사선이다. 회절 응용을 위해서는 0.1 에서 몇 옴스트롱
범위의 짧은 파장을 갖는 X-선(hard x-rays)를 사용한다. 왜냐하면 X-선의
파장은 원자의 크기와 유사해야 하기 때문이며, 이들는 넓은 범위의
물질에서 원자와 분자의 구조 배열을 조사하는에 이상적으로 적합하기
때문이다. 높은 에너지의 X-선은 물질 깊이 침투할 수 있으며 벌크 구조에
관한 정보를 제공한다.

   X-rays are produced generally by either x-ray tubes or synchrotron
   radiation. In a x-ray tube, which is the primary x-ray source used in
     laboratory x-ray instruments, x-rays are generated when a focused
      electron beam accelerated across a high voltage field bombards a
   stationary or rotating solid target. As electrons collide with atoms in the
target and slow down, a continuous spectrum of x-rays are emitted, which
 are termed Bremsstrahlung radiation. The high energy electrons also eject
 inner shell electrons in atoms through the ionization process. When a free
   electron fills the shell, a x-ray photon with energy characteristic of the
target material is emitted. Common targets used in x-ray tubes include Cu
     and Mo, which emit 8 keV and 14 keV x-rays with corresponding
 wavelengths of 1.54 Å and 0.8 Å, respectively. (The energy E of a x-ray
 photon and it's wavelength is related by the equation E = hc/l, where h is
                 Planck's constant and c the speed of light)

x-선은 대개 x-선관 혹은 싱크로트론 복사에 의해 생성된다. 실험실 x-선
기기를 위해 x-선 소스로 주로 사용되는 x-선관에서, x-선은 집중된
전자빔이 높은 전기장에서 가속되어 정지하거나 회전하는 고체 타겟을
충돌하였을 때 생성된다. 타겟에 충돌한 전자는 감속되며 연속 x-선
스펙트럼을 방출한다. 이를 Bremsstrahlung 복사라 한다. 고에너지 전자는
이온화 과정을 통해 원자의 내부껍질 전자를 방출 시키는데, 자유전자가
빈곳을 채우면, 타겟 재료의 에너지 특성을 갖는 x-선 광자를 방출한다. X-
선관에서 사용되는 보통의 타겟은 8keV 와 14keV 의 x-선을 방출하는
구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)인데, 이는 1.54Å 와 0.8Å 에 해당한다. 여기서 x-
선 광자의 에너지식과 파장의 관계식은 아래와 같다.

       E=hc/     : h=플랑크 상수(planck constant), =파장(wavelength)

      In recent years synchrotron facilities have become widely used as
     preferred sources for x-ray diffraction measurements. Synchrotron
 radiation is emitted by electrons or positrons travelling at near light speed
in a circular storage ring. These powerful sources, which are thousands to
  millions of times more intense than laboratory x-ray tubes, have become
    indispensable tools for a wide range of structural investigations and
       brought advances in numerous fields of science and technology.

최근에 싱크로트론 장비는 x-회절 측정법에 널리 사용되어왔다. 싱크로트론
복사는 원형 저장 환에서 광속에 가까운 속도로 이동하는 전자나 양전자에
의해 방출된다. 실험실의 x-선관보다 수천에서 수백만배 더 강력한 이
에너지원은 넓은 범위의 구조연구에 필수불가결한 도구가 되었으며 과학과
기술의 다양한 분야에서의 진보를 개척해 나가고 있다.

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                       Lattice Planes and Bragg's Law

   X-rays primarily interact with electrons in atoms. When x-ray photons
      collide with electrons, some photons from the incident beam will be
   deflected away from the direction where they original travel, much like
 billiard balls bouncing off one anther. If the wavelength of these scattered
     x-rays did not change (meaning that x-ray photons did not lose any
 energy), the process is called elastic scattering (Thompson Scattering) in
that only momentum has been transferred in the scattering process. These
are the x-rays that we measure in diffraction experiments, as the scattered
x-rays carry information about the electron distribution in materials. On the
 other hand, In the inelastic scattering process (Compton Scattering), x-
  rays transfer some of their energy to the electrons and the scattered x-
         rays will have different wavelength than the incident x-rays.

                            격자면과 Bragg 법칙

x-선은 주로 원자의 전자와 상호작용한다. X-선 광자가 전자와 충돌할 때
입사빔으로부터온 어떤 광자는 당구공이 충돌한 후 되퇴어 가듯이 최초의
이동경로 방양에서 편향될 것이다. 만약 이들 산란된 x-선의 파장이 변하지
않는다면(x-선 광자가 에너지를 잃지 않음을 의미한다), 이 과정은 탄성
산란(elastic scattering, Thomson scattering)으로 산란과정에서 단지
운동량만 전달된다. 이들은 회절 실험에서 측정되는 x-선으로 물질내
전자분포에 관한 정보를 수반한다.

Diffracted waves from different atoms can interfere with each other and the
  resultant intensity distribution is strongly modulated by this interaction. If
 the atoms are arranged in a periodic fashion, as in crystals, the diffracted
   waves will consist of sharp interference maxima (peaks) with the same
symmetry as in the distribution of atoms. Measuring the diffraction pattern
    therefore allows us to deduce the distribution of atoms in a material.
서로 다른 원자들로부터 회절된 파동은 서로 간섭할 수 있는데 그 결과적인
강도분포는 이 상호작용에 의해 강하게 변조된다. 만약 원자들이 결정같이
주기적이 형태로 배열되어 있으면, 회절된 파동은 원자의 분포와 비슷한
대칭성을 갖는 날카로운 간섭 최대값을 구성할 것이다. 그러므로 회절
무늬의 측정은 물질내 원자의 분포를 추론할 수 있게 해준다.

The peaks in a x-ray diffraction pattern are directly related to the atomic
 distances. Let us consider an incident x-ray beam interacting with the
  atoms arranged in a periodic manner as shown in 2 dimensions in the
  following illustrations. The atoms, represented as green spheres in the
  graph, can be viewed as forming different sets of planes in the crystal
  (colored lines in graph on left). For a given set of lattice plane with an
 inter-plane distance of d, the condition for a diffraction (peak) to occur
                            can be simply written as

x-선 회절 무늬에서 피크는 원자거리와 직접적으로 연관된다. 그림 2 에
2 차원적으로 보이는 바와 같이 주기적으로 배열된 원자들과 상호작용하는
입사 x-선 빔을 생각해보자. 그림에서 녹색구로 표시된 원자들은 그림에서
몇가지 색깔로 나타낸 바와 같이 결정내에서 여러 평면들을 형성한다.
면간거리 d 를 갖는 격자면에 대해 회절이 일어나기 위한 조건은 다음과
같다.

                                 n=2dsin




  which is known as the Bragg's law, after W.L. Bragg, who first proposed it. In the
  equation,l is the wavelength of the x-ray, q the scattering angle, and n an integer
   representing the order of the diffraction peak. The Bragg's Law is one of most
             important laws used for interpreting x-ray diffraction data.
이식은 처음 이식을 제안한 윌리엄 로렌스 브래그의 이를 따서 브래그 법칙으로 알려져
있다. 이식에서 는 x-선의 파장이고, 는 입사각이며 n 은 회절 피크의 차수를 나타내는
정수이다. 브래그 법칙은 x-선 회절 자료를 설명하는데 있어 가장 중요한 식이다.


It is important to point out that although we have used atoms as scattering points in this
     example, Bragg's Law applies to scattering centers consisting of any periodic
  distribution of electron density. In other words, the law holds true if the atoms are
replaced by molecules or collections of molecules, such as colloids, polymers, proteins
                                   and virus particles.


비록 이 예에서 산란점으로서 원자를 사용했지만, 브래그 법칙은 전자밀도의 어떤 주기적인
분포를 구성하는 산란 중심에 적용한다. 다시 말해서, 이법칙은 만약 원자들이 분자이나
콜로이드, 고분자, 단백질 과 바이러스 입자들과 같은 분자의 모임에 의해 대치 되었을
때도 성립한다.


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                                 Powder Diffraction

  Powder XRD (X-ray Diffraction) is perhaps the most widely used x-ray
 diffraction technique for characterizing materials. As the name suggests,
the sample is usually in a powdery form, consisting of fine grains of single
  crystalline material to be studied. The technique is used also widely for
  studying particles in liquid suspensions or polycrystalline solids (bulk or
                              thin film materials).

분말 x-선 회절은 아마도 물질을 분석하는데 있어서 가장 널리 사용되는 x-
선 회절 기술이다. 이름이 말해주듯이 시편은 대개 분말 형태이고, 원하는
결정 물질의 미세한 입자들로 이루어져 있다. 이 기술은 액체 현탁액이나
다결정 고체(벌크나 박막재료)를 연구하는데도 널리 사용된다.

  The term 'powder' really means that the crytalline domains are randomly
   oriented in the sample. Therefore when the 2-D diffraction pattern is
 recorded, it shows concentric rings of scattering peaks corresponding to
     the various d spacings in the crystal lattice. The positions and the
intensities of the peaks are used for identifying the underlying structure (or
phase) of the material. For example, the diffraction lines of graphite would
  be different from diamond even though they both are made of carbon
    atoms. This phase identification is important because the material
  properties are highly dependent on structure (just think of graphite and
                                diamond).

분말의 의미는 시편내 결정 구역들이 불규칙하게 배향되어 있다는 뜻이다.
그러므로 2 차원 무늬가 기록되면, 결정격자의 다양한 간격에 대응하는 산란
피크의 동심원 링 형태를 보여준다. 피크의 위치와 강도는 물질의 구조를
확인하는데 사용된다. 예를 들면, 흑연과 다이아몬드는 둘 다 탄소로
이루어졌을지라도 구조가 다르므로 회절 형태는 서로 다르다. 이와 같이
상의 확인은 물질 특성이 구조에 매우 의존적이므로 매우 중요하다.

   Powder diffraction data can be collected using either transmission or
reflection geometry, as shown below. Because the particles in the powder
sample are randomly oriented, these two methods will yield the same data.
 In the MRL x-ray facility, powder diffraction data are measured using the
Philips XPERT MPD diffractometer, which measures data in reflection mode
     and is used mostly with solid samples, or the custom built 4-circle
 diffractometer, which operates in transmission mode and is more suitable
                         for liquid phase samples.

분말 회절 데이터는 투과와 반사의 기하 배열로부터 얻어질 수 있다.
분말에서 입자들은 불규칙하게 배열되어 있기 때문에 두 방법은 같은
데이터를 제공한다.




 A powder XRD scan from a K2Ta2O6 sample is shown below as a plot of
  scattering intensity vs. the scattering angle 2qor the corresponding d-
  spacing. The peak positions, intensities, widths and shapes all provide
         important information about the structure of the material.
K2Ta2O6 시편의 분말 XRD 스캔이 아래 그림에 보여지는데 격자상수에
대응하는 2에 대해 피크 강도가 표시되어있다. 피크의 위치, 강도, 폭 과
형태가 모두 물질의 구조에 관한 중요한 정보를 제공한다.




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                            Thin Film Diffraction

 Generally speaking thin film diffraction refers not to a specific technique
 but rather a collection of XRD techniques used to characterize thin film
      samples grown on substrates. These materials have important
 technological applications in microelectronic and optoelectronic devices,
 where high quality epitaxial films are critical for device performance. Thin
 film diffraction methods are used as important process development and
control tools, as hard x-rays can penetrate through the epitaxial layers and
          measure the properties of both the film and the substrate.

박막 회절

일반적으로 말해 박막회절법은 특별한 기술을 말하는게 아니라 기판에
성장된 박막 시편을 특정화하기 위해 사용되는 XRD 기술의 집약이다. 이들
재료는 전자공학과 광전소자에 있어 기술적으로 중요한 응용성을 갖는다.
여기서 높은 질은 적층형 박막은 소자 성능에 있어 매우 중요하다. Hard x-
선이 박막층을 침투할 수 있고 박막과 기판의 특성을 측정할 수 있으므로
박막 회절법은 중요한 공정 개발과 제어 도구로 사용된다.

There are several special considerations for using XRD to characterize thin
film samples. First, reflection geometry is used for these measurements as
the substrates are generally too thick for transmission. Second, high
angular resolution is required because the peaks from semiconductor
materials are sharp due to very low defect densities in the material.
Consequently, multiple bounce crystal monochromators are used to
provide a highly collimated x-ray beam for these measurements. For
example, in the Philips MRD used in the x-ray facility, a 4-crystal
monochromator made from Ge is used to produce an incident beam with
less than 5 arc seconds of angular divergence.

박막재료를 분석하기 위해 XRD 를 사용하기 위한 몇몇 특별한 고찰이 있다.
첫째로 반사 기하학은 투과하기에는 너무 두꺼운 기판을 측정하기 위해
사용된다. 둘째로, 반도체 재료의 피크는 재료의 낮은 결함 밀도로 인해
매우 뾰족하므로 높은 각분해능이 요구된다. 결과적으로 다중 바운스 결정
단색화 장치가 평행이 잘 조절된 x-선 빔을 제공한다. 예를 들면 Philips
XRD 에서는 Ge 로부터 만들어진 4 결정 단색화장치가 각도 발산이 5 arc
second 보다 작은 입사빔을 만들어낸다.

       Basic XRD measurements made on thin film samples include:

      Precise lattice constants measurements derived from 2q - q scans,
      which provide information about lattice mismatch between the film
        and the substrate and therefore is indicative of strain & stress
    Rocking curve measurements made by doing a q scan at a fixed 2q
     angle, the width of which is inversely proportionally to the dislocation
     density in the film and is therefore used as a gauge of the quality of
                                     the film.




박막 시편을 측정하기 위한 기본적인 XRD 측정의 요소
1) 정밀한 격자상수 : -2 스캔으로부터 얻어지는데 기판과 박막의 격자
불일치에 관한 정보를 제공하며 이로부터 응력 및 변형에 관한 정보를
얻는다

2) 라킹커브 : 고정된 2각도에서 스캔을 함으로써 얻어지는데 이피크의
폭은 박막의 전위밀도에 역비례하고 박막의 질을 측정하는 요소가 된다.

     Superlattice measurements in multilayered heteroepitaxial structures,
           which manifest as satellite peaks surrounding the main diffraction
          peak from the film. Film thickness and quality can be deduced from
                                        the data.




3) 초격자 : 다층 이형 적층형 구조를 측정하는 방법으로 박막의 주 회절
피크 주위의 위성피크를 명확히 한다.

           Glancing incidence x-ray reflectivity measurements, which can
           determine the thickness, roughness, and density of the film. This
            technique does not require crystalline film and works even with
                                amorphous materials.
               Texture measurements--will be discussed separately


4) GID (Glancing Incidence x-ray Diffraction) : 박막의 두께, 거칠기 및
밀도를 측정하는 방법. 이 기술은 다결정 박막이나 무정형 물질은 측정할 수
없다.

5) Texture 측정

     The following graph shows the high resolution XRD data of the
supperlattice peaks on the GaN (002) reflections. Red line denotes results
                 of computer simulation of the structure.

다름 그래프는 GaN(002) 반사의 초격자 피크의 고 분해능 XRD 데이터다.
적색은 구조의 전산 모사 결과를 나타낸다.
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                    Texture Measurement (Pole Figure)

Texture measurements are used to determine the orientation distribution of
crystalline grains in a polycrystalline sample. A material is termed textured
   if the grains are aligned in a preferred orientation along certain lattice
planes. One can view the textured state of a material (typically in the form
  of thin films) as an intermediate state in between a completely randomly
  oriented polycrystalline powder and a completely oriented single crystal.
 The texture is usually introduced in the fabrication process (e.g. rolling of
  thin sheet metal, deposition,etc.) and affect the material properties by
                     introducing structural anisotropy.

Texture 측정은 다결정 시편에서 다결정립의 배향 분로를 결정하는데
사용된다. 만약 결정립이 어떤 격자면을 따라 원하는 방향으로 배열되어
있다면 Texture 라고 말해진다. 예를들면 박막재료에서와 같이 Texture 는
완전히 불규칙하게 배향된 다결정 분말과 완전히 배향된 단결정의 중간
상태라 할 수 있다. Texture 는 대개 얇은 금속을 압연하고 증착하는
제조공정 같은 경우에 도입된다. 구조적 비등성을 도입함으로써 재료 특성에
영향을 미친다.
  A texture measurement is also referred to as a pole figure as it is often
 plotted in polar coordinates consisting of the tilt and rotation angles with
respect to a given crytallographic orientation. A pole figure is measured at
a fixed scattering angle (constant d spacing) and consists of a series of f
-scans (in- plane rotation around the center of the sample) at different tilt
                or Y -(azimuth) angles, as illustrated below.

Texture 측정은 주어진 결정학적 방향에 대한 경사각과 회전각으로 구성된
극좌표로 그려지는 극형태(polar figure)로 나타내어질 수 있다. 극형태는
고정된 산란각(일정한 격자간격)에서 측정되고, 다른 경사 혹은 Y-(방위) 각
에서 일련의 f-scan (시편의 중심주위의 평면방향 회전)으로 구성된다.




  The pole figure data are displayed as contour plots or elevation graphs
 with zero angle in the center. Below we show two pole figure plots using
   the same data set. An orientation distribution function (ODF) can be
                   calculated using the pole figure data.

극형태의 자료는 중심에서 영의 각을 갖는 등고선면으로 표시된다. 아래
같은 자료를 갖는 두 극형태를 보인다. 배향 분포 함수 (ODF) 극형태
자료를 사용하여 계산될 수 있다.

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                       Residual Stress Measurement

    Structural and residual stress in materials can be determined from
precision lattice constants measurements. For polycrystalline samples high
resolution powder diffraction measurements generally will provide adequate
accuracy for stress evaluation. For textured (oriented) and single crystalline
 materials, 4-circle diffractometry is needed in which the sample is rotated
so that measurements on multiple diffraction peaks can be carried out. The
    interpretation of stress measurement data is complicated and model
         dependent. Consult the reference literature for more details.

잔류 응력 측정

재료의 구조 및 잔류응력은 정밀할 격자 상수 측정을 통해 결정될 수 있다.
다결정 시편에 대해 높은 분해능 분말 회절 측정은 응력 계산을 위한
적당한 정확도를 제공한다. Texture 를 갖는 재료나 단결정 재료에 대해서는
4-축 회절장치가 필요하다. 이 장비는 시편을 4 방향으로 회전 시킴으로서
다중 회절 피크를 얻을 수 있다. 응력 측정의 설명은 복잡하고 모델에 따라
다르다. 다향한 문헌들이 있으므로 참조가 가능하다

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                   Small Angle X-ray Scattering (SAXS)

 SAXS measurements typically are concerned with scattering angles < 1o.
 As dictated by Bragg's Law, the diffraction information about structures
 with large d-spacings lies in the region. Therefore the SAXS technique is
  commonly used for probing large length scale structures such as high
 molecular weight polymers, biological macromolecules (proteins, nucleic
     acids, etc.), and self-assembled superstructures (e.g. surfactant
                     templated mesoporous materials).

SAXS 측정은 전형적으로 1미만의 산란각에 관심을 갖는다. 브래그
법칙에서 보이는 바와 같이, 큰 d-간격을 갖는 구조에 관한 회절 정보는 그
영역에 있다. 그러므로 SAXS 기술은 일반적으로 높은 분자량을 갖는 고분자,
생물학적 거대분자(단백질, 핵산등) 및 자기 조립 초구조(self-assembled
superstructure) (계면활성제 주형 중간 다공성 재료)와 같은 긴 길이 규모의
구조를 조사하는데 사용된다.

  SAXS measurements are technically challenging because of the small
  angular separation of the direct beam (which is very intense) and the
 scattered beam. Large specimen-to-detector distances (0.5 m - 10 m)
 and high quality collimating optics are used to achieve good signal-to-
                  noise ratio in the SAXS measurement.
SAXS 측정은 입사빔(매우 강함)과 산란빔의 작은 각의 분리로 인해
기술적으로 도전할 수 있는 주제이다. 큰 시편-검출기 거리(0.5-10m)와
높은 질적인 배열과 광학이 SAXS 측정을 위해 매우 우수한 잡음에 대한
신호비율을 얻기 위해 사용된다.

      The MRL x-ray facility has cutting edge capabilities for SAXS
 measurements with three custom-built SAXS instruments including one
 3.5-meter long ultra-small angle SAXS instrument with state-of-the-art
     optics and area detector for low scattering density samples (see
                 instrumentation section for more details)




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                           X-ray Crystallography

X-ray crystallography is a standard technique for solving crystal structures.
  Its basic theory was developed soon after x-rays were first discovered
  more than a century ago. However, over the years it has gone through
     continual development in data collection instrumentation and data
 reduction methods. In recent years, the advent of synchrotron radiation
sources, area detector based data collection instruments, and high speed
 computers has dramatically enhanced the efficiency of crystallographic
  structural determination. Today x-ray crystallography is widely used in
    materials and biological research. Structures of very large biological
 machinery (e.g. protein and DNA complexes, virus particles) have been
                        solved using this method.

x-선 결정학

x-선 결정학은 결정구조를 결정하는 기본 기술이다. 그 기본 이론은 x-선이
백여년 전에 처음 발견된 이후 바로 개발 되었다. 그러나 자료 수집 기기와
자료 정리 방법을 개발하는데 수년이 흘렀다. 최근에는 싱크로트론 복사원,
면적 검출기에 기초한 자료 수집 장치와 고성능 컴퓨터의 도래가 결정학적
구조 결정의 효율을 극적으로 확대시켰다. 오늘날 x-선 결정학은 재료와
생물학적 연구에 널리 사용된다. 매우 큰 생물학 시편(단백질, DNA 구조물,
바이러스 입자들)의 구조는 이런 방법을 통해 해결될 수 있다.
In x-ray crystallography, integrated intensities of the diffraction peaks are
  used to reconstruct the electron density map within the unit cell in the
crystal. To achieve high accuracy in the reconstruction, which is done by
   Fourier transforming the diffraction intensities with appropriate phase
  assignment, a high degree of completeness as well as redundancy in
  diffraction data is necessary, meaning that all possible reflections are
  measured multiple times to reduce systematic and statistical error. The
most efficient way to do this is by using an area detector which can collect
  diffraction data in a large solid angle. The use of high intensity x-ray
sources, such as synchrotron radiation, is an effective way to reduce data
                               collection time.

x-선 결정학에서, 회절 피크의 적분강도는 결정의 단위셀내 전자 밀도
지도를 재구축하는데 사용된다. 적당한 상의 결정과 회절 강도의 프리에
변환에 의해 재구축의 높은 정확도를 얻기 위해, 회절 자료의 중복성 뿐만
아니라 높은 완성도가 요구된다. 이 말은 모든 가능한 반사는 체계적이고
통계적인 오차를 줄이기 위해 여러 번 측정해야 한다는 뜻이다. 이를 위한
가장 효율적인 방법은 한번에 커다란 고체각에서 자료를 얻는 면적
검출기를 사용하는 것이다. 싱크로트론 복사와 같은 고강도 x-선 소스의
사용은 자료 수집 시간을 줄이는 효율적인 방법이다.

    One of the central difficulties in structural determination using x-ray
crystallography is referred to as the "phase problem", which arises from the
fact that the diffraction data contains information only on the amplitude but
 not the phase of the structure factor. Over the years many methods have
     been developed to deduce the phases for reflections, including
  computationally based direct methods, isomorphous replacement, and
       multi- diffraction (MAD) methods wavelength anormalous.

x-선 결정학을 이용한 구조 결정에서 한 가자 중요한 어려움은 회절 자료는
진폭 뿐만 아니라 구조 인자의 상에 관한 정보를 포함한다는 사실에 기초한
“상 문제”이다. 몇 년동안 반사의 상들을 결정하기 위해 많은 방법들이
개발되었다. 계산 방법에 기초한 직접 방법, 동형 치환(isomorphous
replacement) 과 다중 회절 방법(multi-diffraction method) 등이 이
방법들이다.
General concept and defining characteristics of
AFM


     Scanned-proximity probe microscopes provide very high resolution images of various
         sample properties


The atomic force microscope is one of about two dozen types of
scanned-proximity probe microscopes. All of these microscopes work by
measuring a local property - such as height, optical absorption, or
magnetism - with a probe or "tip" placed very close to the sample. The
small probe-sample separation (on the order of the instrument's
resolution) makes it possible to take measurements over a small area. To
acquire an image the microscope raster-scans the probe over the sample
while measuring the local property in question. The resulting image
resembles an image on a television screen in that both consist of many
rows or lines of information placed one above the other.

Unlike traditional microscopes, scanned-probe systems do not use lenses,
so the size of the probe rather than diffraction effects generally limit their
resolution.

AFM의 일반적인 개념과 정의 특성


주사-인접 탐침 현미경은 다양한 시편 특성의 매우 높은 분해능을 제공한다


원자힘 현미경은 주사-인접 탐침 현미경 12가지 형태의 하나이다. 이들 현미경은 시편에
가까이 놓인 탐침이나 혹은 팁과 함께 높이, 광학 흡수, 자기적 성질과 같은 국부 특성을
측정함으로서 기능을 발휘한다. 기기의 분해능의 차수에 관련된 작은 탐침-시편 분리는 작
은 면적에 걸쳐 측정을 가능하게 한다. 영상을 얻기 위해서 현미경은 원하는 국부 특성을
측정하면서 시편을 래스터-주사한다. 결과적인 영상은 다른 선위에 놓인 정보의 선과 같이
많은 열로 이루어진 텔레비전 화면 위의 영상과 비슷하다.
전통적인 현미경과 달리, 주사 탐침 시스템은 렌즈를 사용하지 않는다. 회절 효과 보다는
탐침의 크기가 기기의 분해능을 제한한다.
     The atomic force microscope measures topography with a force probe




         Figure 1. Concept of AFM and the optical lever: (left) a cantilever touching a sample;
             (right) the optical lever. Scale drawing; the tube scanner measures 24 mm in
             diameter, while the cantilever is 100 µm long.


AFM (figure 1) operates by measuring attractive or repulsive forces
between a tip and the sample (Binnig et al., 1986). In its repulsive
"contact" mode, the instrument lightly touches a tip at the end of a leaf
spring or "cantilever" to the sample. As a raster-scan drags the tip over the
sample, some sort of detection apparatus measures the vertical deflection
of the cantilever, which indicates the local sample height. Thus, in contact
mode the AFM measures hard-sphere repulsion forces between the tip and
sample.

AFM 은 팁과 시편사이의 인력과 척력을 측정함으로써 작동한다. 척력의
접촉 모드 에서 기기는 캔티레버 혹은 leaf 스프링의 끝에 있는 팁이 시편에
가볍게 닿는다. 래스터-주사가 시편위로 팁을 끌 때, 어떤 종류의 검출
장치는 캔티레버의 수직 편향을 측정하는데, 이는 국부 시편 높이는
나타낸다. 그러므로, 접촉모드에서, AFM 은 팁과 시편사이의 강체구 척력을
측정한다.
In noncontact mode, the AFM derives topographic images from
measurements of attractive forces; the tip does not touch the sample
(Albrecht et al., 1991). Because it does not allow the imaging of samples
under water, I have not used the attractive mode.

비접촉 모드에서는, AFM 은 인력의 측정으로부터 표면영상을 얻어낸다.
이때 팀은 시편에 닿지 않는다. 물에 있는 시편의 영상은 얻을수 없으므로
인력모드는 사용될 수 없다.

AFMs can achieve a resolution of 10 pm, and unlike electron microscopes,
can image samples in air and under liquids.

AFM 은 10pm 의 분해능을 얻을 수 있고, 전자현미경과는 달리 공기와 액체
하에서 영상을 얻을 수 있다.

In principle, AFM resembles the record player as well as the stylus
profilometer. However, AFM incorporates a number of refinements that
enable it to achieve atomic-scale resolution:

      Sensitive detection
      Flexible cantilevers
      Sharp tips
      High-resolution tip-sample positioning
      Force feedback


I describe these refinements below.

원리적으로, AFM은 철필 측도기(stylus profilometer)뿐만 아니라 전축과 유사하다. 그러나
AFM은 원자 규모의 분해능을 도달할 수 있게 하는 많은 개선을 포함하고 있다.
      민감한 검출 (sensitive detection)
      유연한 외팔보 (Flexible catilever)
      뾰족한 팁 (Sharp cantilever)
      고분해능 팁-시편 위치제어 (High-resolution tip-sample positioning)
      힘 되먹임 (force feedback)
     Laser beam deflection offers a convenient and sensitive method of measuring cantilever
         deflection


AFMs can generally measure the vertical deflection of the cantilever with
picometer resolution. To achieve this most AFMs today use the optical
lever, a device that achieves resolution comparable to an interferometer
while remaining inexpensive and easy to use (Meyer et al., 1988; Alexander
et al., 1989).

AFM 은 일반적으로 picometer 분해능으로 캔티레버의 수직 편향을
측정한다. 이를 위해서, 오늘날 대부분의 AFM 은 광학 레버를 사용한다.
이는 가격이 저렴하며 사용하기 쉬우며 분해능이 간섭계에 비할 만 하다.

The optical lever (figure 1) operates by reflecting a laser beam off the
cantilever. Angular deflection of the cantilever causes a twofold larger
angular deflection of the laser beam. The reflected laser beam strikes a
position-sensitive photodetector consisting of two side-by-side
photodiodes. The difference between the two photodiode signals indicates
the position of the laser spot on the detector and thus the angular
deflection of the cantilever.

그림??? 에서 보는 바와 같이 광학 레버는 레이저 빔을 캔티레버에
반사시킴으로써 작동한다. 캔틸레버에서 일정한 각의 편향은 레이저 빔이
두배의 큰 각의 편향을 갖게 한다. 반사된 레이저 빔은 위치에 민감한
두개의 광다이오드가 나란히 구성된 광검출기에 도달한다. 두 광다이오드
신호의 차이는 검출기 위의 레이저 점을 나타내고, 이는 캔티레버의 각도
편향을 나타낸다.

Because the cantilever-to-detector distance generally measures
thousands of times the length of the cantilever, the optical lever greatly
magnifies motions of the tip. Because of this ~2000-fold magnification
optical lever detection can theoretically obtain a noise level of 10-14
m/Hz1/2 Putman et al., 1992). For measuring cantilever deflection, to date
only the relatively cumbersome techniques of interferometry and tunneling
detection have approached this value.

왜냐하면, 캔틸레버에서 검출기 사이의 거리는 일반적으로 캔틸레버 길이의 수천배이고 광
학 레버는 팁의 운동을 엄청난 배율로 확대한다. 2000배나 확장된 광학 레버 검출은 이론적
      -14       1/2
으로 10    m/Hz         수준의 노이즈를 얻게한다. 캔티레버의 측정을 위해서 상대적으로 귀찮
은 간섭계 및 터널링 검출 기술이 이 수준의 값에 도달해 왔다.
     AFM cantilevers have high flexibility




                                    Figure 2. Schematic illustration of the meaning of "spring
                                         constant" as applied to cantilevers. Visualizing the
                                         cantilever as a coil spring, its spring constant k
                                         directly affects the downward force exerted on the
                                         sample.




A high flexibility stylus exerts lower downward forces on the sample,
resulting in less distortion and damage while scanning. For this reason
AFM cantilevers generally have spring constants of about 0.1 N/m (figure
2). As Paul Hansma points out, a Slinky is about ten times stiffer (1 N/m).

매우 유연한 철필이 시편위로 아래방향으로 작용하는 힘을 가하면,
스캔하는 동안 시편의 변형을 일으키거나 망가뜨릴 수가 있다. 이런 이유로
AFM 캔티 레버는 일반적으로

It would take a very long time to image a surface by dragging a Slinky over
it (in the configuration of figure 2), because a Slinky cannot respond
quickly as it passes over features. That is, a Slinky has a low resonant
frequency, but an AFM cantilever should have a high resonant frequency.

The equation for the resonant frequency of a spring:




shows that a cantilever can have both low spring constant and high
resonant frequency if it has a small mass. Therefore AFM cantilevers tend
to be very small. Commercial vendors manufacture almost all AFM
cantilevers by microlithography processes similar to those used to make
computer chips. The Park Scientific Instruments cantilevers in figure 3
measure 100 µm in length and consist of silicon oxynitride with a thin
coating of gold for reflectivity.

Slinky는 그위를 통해 당김으로써 표면을 영상화하는데 매우 긴시간이 필요하다. 왜냐하면
Slinky는 형상위로 통과할 때 재빨리 응답하지 않기 때문이다. 즉 Slinky는 낮은 공명진동
수를 갖는 반면에 AFM 캔틸레버는 높은 공명 진동수를 갖어야 하기 때문이다. 스프링의
공명진동수 식은 다음과 같다.

                         1   spring cons tan t
Re sonant frequency 
                        2        mass
캔틸레버는 작은 질량을 갖는다면 낮은 스프링 상수와 높은 공명 진동수를 갖는다. 그러므
로 AFM 캔티레버는 매우 작으려는 경향이 있다. 거의 모든 상업적인 제조업자는 캔티레버
를 컴퓨터 칩을 제조하는 공정과 유사한 공정에 의해 제조한다. 그림 3에 보여지는 Park
Scientific Instruments 의 캔티레버는 100m이고 반사를 위한 금코팅을 한 silicon
oxynitride로 이루어져 있다.
     Micromachining techniques produce inexpensive, reasonably sharp tips




                                 Figure 3. Electron micrograph of two 100 µm long V-shaped
                                     cantilevers (by Jean-Paul Revel, Caltech; cantilevers from
                                     Park Scientific Instruments, Sunnyvale, CA).




                             a                      b                     c
         Figure 4. Three common types of AFM tip. (a) normal tip (3 µm tall); (b) supertip; (c)
             Ultralever (also 3 µm tall). Electron micrographs by Jean-Paul Revel, Caltech.
             Tips from Park Scientific Instruments; supertip made by Jean-Paul Revel.


Most users purchase AFM cantilevers with their attached tips from
commercial vendors, who manufacture the tips with a variety of
microlithographic techniques.

A close enough inspection of any AFM tip reveals that it is rounded off.
Therefore force microscopists generally evaluate tips by determining their
"end radius." In combination with tip-sample interaction effects, this end
radius generally limits the resolution of AFM. As such, the development of
sharper tips is currently a major concern.

대부분의 AFM 사용자는 다양한 microlithographic 기술로 tip 을 생산할 수
있는 제조업자로부터 tip 이 캔틸레버에 붙어 있는 상태로 구매한다. AFM
tip 을 자세히 살표 보면 tip 끝이 둥글게 마무리 되어있다. 그러므로 팁의
끝반경(end radius)를 결정함으로써 팁의 성능을 평가하게 된다. 팁-시편의
상호작용 효과와 함께 이들 반경은 일반적으로 AFM 의 분해능을 제한하게
된다. 말하자면 더욱 뾰족한 팁의 개발이 현재의 주된 관심사가 되어 있다.

Force microscopists generally use one of three types of tip. The "normal
tip" (figure 4a; Albrecht et al., 1990) is a 3 µm tall pyramid with ~30 nm
end radius. The electron-beam-deposited (EBD) tip or "supertip" (figure
4b; Keller and Chih-Chung, 1992) improves on this with an electron-
beam-induced deposit of carbonaceous material made by pointing a
normal tip straight into the electron beam of a scanning electron
microscope. Especially if the user first contaminates the cantilever with
paraffin oil, a supertip will form upon stopping the raster of the electron
beam at the apex of the tip for several minutes. The supertip offers a
higher aspect ratio (it is long and thin, good for probing pits and crevices)
and sometimes a better end radius than the normal tip. Finally, Park
Scientific Instruments offers the "Ultralever" (figure 4c), based on an
improved microlithography process. Ultralevers offers a moderately high
aspect ratio and on occasion a ~10 nm end radius.
AFM 에는 보통 3 가지 종류의 팁이 사용된다. 일반 팁(normal tip)은 3m
높이의 피라미드형이고 약 30nm 의 끝반경(end radius)을 갖는다. 전자-빔-
증착 팁(electron-beam-deposited tip) 혹은 Supertip 은 주사전자현미경의
전자빔으로 일반팁을 향하게 하여 탄소 물질을 전자-빔-유발 증착 하여
일반팁을 개선한 팁이다.



     Tube piezoceramics position the tip or sample with high resolution

         Figure 5. Exploded view of a tube scanner.
              Applying a voltage to one of the four outer
              quadrants causes that quadrant to expand nd
              the   scanner   to   tilt   away from   it   (XY
              movement). A corresponding negative voltage
              applied to the opposite quadrant doubles the
              XY range while preventing vertical motion.
              Applying a voltage to the inner electrode
              causes the entire tube to expand or contract
              (Z movement).


Piezoelectric ceramics are a class of materials that expand or contract
when in the presence of a voltage gradient or, conversely, create a voltage
gradient when forced to expand or contract (Gallego-Juárez, 1989).
Piezoceramics make it possible to create three-dimensional positioning
devices of arbitrarily high precision. Most scanned-probe microscopes use
tube-shaped piezoceramics because they combine a simple one-piece
construction with high stability and large scan range. Four electrodes cover
the outer surface of the tube, while a single electrode covers the inner
surface. Application of voltages to one or more of the electrodes causes
the tube to bend or stretch, moving the sample in three dimensions (figure
5).

압전세라믹은 전압구배가 작용할 때 팽창하거나 축소하는 물질이다. 역으로
힘의 작용으로 팽창하거나 축소할 때 전압구배가 생성된다. 압전세라믹을
이용하면 임의의 높은 정밀도로 3 차원의 위치조정 소자를 만들수 있다.
대부분의 주사-탐침 현미경은 관형(tube-shaped)의 압전세라믹을
이용하는데 이는 단순한 하나의 부품형으로 높은 안정도와 넓은 주사
범위를 갖을 수 있기 때문이다. 하나의 전극이 관의 내면을 닿는 대신에
관의 외면에는 네 전극을 닿는다. 하나 또는 그이상의 전극에 전압을 가하면,
관은 구부러지거나 늘어나고 시편을 3 차원으로 움직인다.

     AFMs use feedback to regulate the force on the sample




         Figure 6. The AFM feedback loop. A compensation network (which in my AFM is a
             computer program) monitors the cantilever deflection and keeps it constant by
             adjusting the height of the sample (or cantilever).


The presence of a feedback loop is one of the subtler differences between
AFMs and older stylus-based instruments such as record players and
stylus profilometers. The AFM not only measures the force on the sample
but also regulates it, allowing acquisition of images at very low forces.

되먹임 루프의 존재는 AFM 과 전축이나 철필 프로힐로메터와 같이 철필을
사용하는 예로부터 사용되어 온 기기들과의 미묘한 차이들 중의 하나이다.
AFM 은 시편에 작용하는 힘을 측정할 뿐 아니라 매우 낮은 힘에서어 영상을
얻을 수 있도록 그 힘을 조정한다.

The feedback loop (figure 6) consists of the tube scanner that controls the
height of the entire sample; the cantilever and optical lever, which
measures the local height of the sample; and a feedback circuit that
attempts to keep the cantilever deflection constant by adjusting the voltage
applied to the scanner.

되먹임 루프는 전체 시편의 높이를 조절하는 관 스캐너, 캔티레버와
광학레버로 구성되어 있는데, 광학레버는 시편의 국부 높이를 측정한다.
그리고 되먹임 회로는 스태너에 작용하는 전압을 조절하면서 캔티레버의
편향상수를 유지시킨다.

One point of interest: the faster the feedback loop can correct deviations
of the cantilever deflection, the faster the AFM can acquire images;
therefore, a well-constructed feedback loop is essential to microscope
performance. AFM feedback loops tend to have a bandwidth of about 10
kHz, resulting in image acquisition times of about one minute.

한가지 흥미로운 점은 되먹임 루프가 캔티레버 편향의 편차를 빠르게
수정할수록, AFM 영상을 더 빨리 얻을 수 있다. 그러므로 잘 제작된 되먹임
루프는 현미경 성능의 기본적인 요소이다. AFM 되먹임 루프는 약 10kHz 의
밴드폭을 갖는다. 그러므로 영상의 획득시간은 1 분이다.




Alternative imaging modes


     AFMs have two standard imaging modes


Almost all AFMs can measure sample topography in two ways: by
recording the feedback output ("Z") or the cantilever deflection ("error"; see
figure 6). The sum of these two signals always yields the actual topography,
but given a well-adjusted feedback loop, the error signal should be
negligible. As described below, AFMs may have alternative imaging modes
in addition to these standard modes.

다른 모드
거의 모든 AFM은 되먹임 출력 “Z” 혹은 캔티레버 편향 “오차” 기록하는 두가지 방법으로
시편의 표면을 측정할 수 있다. 이들 두가지 신호의 합은 항상 실제 표면을 잘 제공해 주지
만, 잘 조정된 되먹임 루프하에 오차 신호는 무시할 수 있다. 아래에서 얘기 하겠지만 서술
되는 바와 같이, AFM은 이들 두 표준모드에 부가해서 다른 영상 모드가 있다.
Optical lever AFMs can measure the friction between tip and sample




    Figure 7. While topographic imaging uses the up-and-down deflection of the
        cantilever, friction imaging uses torsional deflection.
         Figure 8. 2.5 x 2.5 nm simultaneous topographic and friction image of highly oriented
             pyrolytic graphic (HOPG). The bumps represent the topographic atomic
             corrugation, while the coloring reflects the lateral forces on the tip. The scan
             direction was right to left.




         Figure 9. Cross-sectional profile of friction data from above image showing stick-slip
             behavior.


If the scanner moves the sample perpendicular to the long axis of the
cantilever (figure 7), friction between the tip and sample causes the
cantilever to twist. A photodetector position-sensitive in two dimensions
can distinguish the resulting left-and-right motion of the reflected laser
beam from the up-and-down motion caused by topographic variations
(Meyer and Amer, 1990).

만약   스캐너가 캔티레버의 긴축에 수직한 방향으로 시편을 움직이면, 팁과
시편   사이에 마찰은 캔티레버가 뒤틀리게 하는 원인이 된다. 2 차원 위치-
민감   광검출기는표면의 변화에 기인한 상하운동으로부터 반사 레이저 빔의
좌우   운동을 구분해 낸다.

Therefore, AFMs can measure tip-sample friction while imaging sample
topography. Besides serving as an indicator of sample properties, friction
(or "lateral force," or "lateral deflection") measurements provide valuable
information about the tip-sample interaction.

그러므로, AFM 은 시편의 표면을 영상화 하면서 팁-시편 마찰을 측정할 수
있다. 시편특성을 나타내면서, 마찰(혹은 측면힘 또는 측면 편향)측정은 팁-
시편 상호작용에 관한 유용한 정보를 제공한다.

Figure 8 shows a simultaneous friction and topography image of graphite
atoms in which I have plotted the topography image as a three-
dimensional projection colored by the friction data. Each bump represents
one carbon atom. As the tip moves from right to left, it bumps into an atom
and gets stuck behind it. The scanner continues to move and lateral force
builds up until the tip slips past the atom and sticks behind the next one.
This "stick-slip" behavior creates a characteristic sawtooth waveform in the
friction image (figure 9).

그림 ???는 흑연 원자의 마찰과 표면 영상을 동시에 보여준다. 이는 마찰
자료에 색상을 입힌 3 차원 투영인 표면 영상을 그린 것이다. 각각은
돌출부는 하나의 탄소원자를 나타낸다. 팁이 오른쪽에서 왼쪽으로 이동함에
따라  팁은 원자와 충돌하고 그 뒤로 붙는ㄷ. 스캐너는 계속 움직이고
측면힘은 팁이 원자를 지나 미끄러질때까지 증강된다. 그리고 그 다음원자에
붙는다. 이 “부착-미끄러짐” 거동은 마찰 영상에서 톱니파형의 특성을
나타낸다.

     AFMs can measure sample elasticity



                                            Figure 10. AFMs can image sample
                                               elasticity by pressing the tip into
                                               the sample and measuring the
                                               resulting cantilever deflection.



                                            Figure 11. 1 x 1 µm simultaneous
                                               topography    (left)   and   elasticity
                                               (right) images of bovine serum
                                               albumen      on    silicon   (sample
                                               prepared by Sie-Ting Wong of
                                               Abbott Laboratories).


AFM can also image the softness of a sample by pressing the cantilever
into it at each point in a scan. The scanner raises the sample or lowers the
cantilever by a preset amount, the "modulation amplitude" (usually 1-10
nm). In response, the cantilever deflects an amount dependent on the
softness of the sample: the harder the sample, the more the cantilever
deflects (figure 10).
AFM 은 주사에 있어서 각각의 포인트로 캔티레버를 누름으로서 시편의
유연함을 영상화 할 수 있다. 스캐너는 미리 설정된 양인 “변조 진폭” 에
의해 시편을 올리거나 캔티레버를 낮출 수 있다. 응답에 있어, 캔티레버는
시편의 유연함에 의존하는 양만큼 편향한다. 시편이 강하면 강할수록
캔틸레버는 더 많이 편향한다.

Figure 11 shows an image of bovine serum albumen (BSA) on silicon. A
number of bumps appear in the topography image, each presumably
corresponding to a single BSA molecule. The elasticity image reveals that
each of the bumps is soft relative to the silicon substrate, a reasonable
result for protein molecules.

그림 ???은 실리콘위에 성장된 bovine serum albumen (BSA)의 영상을
보여준다. 표면영상에서 많은 돌출부가 보인다. 각각은 아마도 하나의
BSA 분자일 것이다. 탄성 영상은 돌출부 각각이 실리콘 기판에 대해
유연함을 나타낸다. 이는 단백질 분자에 대해 타당한 결과이다.




AFM and biology


     Dull tips and tip-sample interaction forces prevent high-resolution imaging of biological
         structures
     무딘 팁과 팁-시편 상호작용력은 생물학적 구조의 고분해능 영상을 얻는데 어렵게 한
         다.




         Figure 12. Images 1, 50, and 100 of small collagen fibrils from a sequence of 100
              images. Repetitive scanning of the same area progressively detaches the fibrils
             from the glass substrate, causing distortion in the direction of scanning, left-to-
             right and top-to-bottom.


The ability of AFM to image at atomic resolution, combined with its ability
to image a wide variety of samples under a wide variety of conditions, has
created a great deal of interest in applying it to the study of biological
structures. Images have appeared in the literature showing DNA, single
proteins, structures such as gap junctions, and living cells (for a review
see Hoh and Hansma, 1992).

다양한 조건하에서 다양한 시편을 영상화 하는 능력과 더불어 원자수준의
분해능을 영상화 하는 AFM 의 능력은 생물주고의 연구에 적용함으로써
엄청난 관심을 창출해 내었다. DNA, 단일 단백질, gap junction 과 같은 구조
및 살아있는 세포의 영상을 문헌에서 찾아볼 수 있다.

Unfortunately, AFM cannot image all samples at atomic resolution. The end
radii of available tips confines atomic resolution to flat, periodic samples
such as graphite. In addition, because biological structures are soft, the
tip-sample interaction tends to distort or destroy them. Figure 12, for
example, shows how forces exerted on small collagen fibrils tend to
detach them from the substrate over a period of time, resulting in
progressively greater distortion.

불행히도 AFM 은 모든 시편을 원자 수준의 분해능으로 영상화 할 수 없다.
이용할 수 있는 팀은 끝 반경(end radii)는 원자수준의 분해능을 편평하고
흑연같이 주기적인 시편을 영상화 할 수 있게 제한한다. 예를 들면, 그림
12 는 어떻게 작은 collagen fibril 에 작용하여 긴 시간에 걸쳐 기판으로부터
떼어내고, 결과적으로 점차적으로 더 뒤틀리는가를 보여준다.

A number of companies are attempting to develop sharper tips, primarily
by improved microfabrication processes. I have concentrated on
investigating the tip-sample interaction with alternative imaging modes.

많은 회사들은 주로 개선된 미세제조공정(microfabrication)을 통해 더
뾰족한 팁을 개발하려 노력하고 있다.



     The meniscus force is the most important influence on the tip-sample interaction force
         when imaging in air
     메니스커스 힘은 공기중에서 영상화 할 때 팁-시편 상호작용력에 가장 중요한 영향이
         다.




         Figure 13. Force curve taken in air. At Z=0 nm the cantilever pushes down on the tip,
              and tip and sample are in contact. As Z increases, the cantilever exerts less
              force and then begins to pull up on the tip (negative force). Eventually the
              cantilever exerts enough force to pull the tip free of the meniscus (2 nN in this
              case, an unusually low figure). After this point, only attractive forces affect the
              cantilever deflection.


When imaging in air, a layer of water condensation and other
contamination covers both the tip and sample, forming a meniscus that
pulls the two together (Weisenhorn et al., 1989).

공기중에서 영상화 할 때 물층의 응축과 다른 오염이 팁과 시편을 덮게
되고 두가지를 함께 끌어당기는 메니스커스를 형성한다.

"Force curves" showing cantilever deflection as the scanner lowers the
sample reveal the attractive meniscus force (figure 13): the cantilever has
to exert an upward force to pull the tip free of the meniscus. This force
equals the attractive force of the meniscus, usually 10-100 nN.

스캐너가 시편을 낮춤에 따라 캔티레버의 편향을 보여주는 힘 곡선(force
curve)은 인력으로 작용하는 메니스커스 힘을 보여준다. 캔티레버는 팁을
메니스커스 힘으로부터 위로 작용하는 힘을 작용해야한다. 이 힘은 10-
100nN 으로 메니스커스의 인력과 같다.

The great strength of the meniscus makes it the most important influence
on the tip-sample interaction. Force microscopists often eliminate the
meniscus by completely immersing both tip and sample in water.

메니스커의의 커다란 강도는 팁-시편 상호작용에 큰 영향을 미친다. AFM사용자는 종종 팁
과 시편을 물에 완전히 담금으로서 메니스커스를 제거한다



References


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http://www.chembio.uoguelph.ca/educmat/CHM72
                      9/STMpage/stmtutor.htm

                                STM Concept


The basic principle of scanning tunneling microscopy (STM) is based on
the tunneling current between a metallic tip, which is sharpened to a single
atom point and a conducting material.

주사터널링 현미경의 기본 원리는 금속팁 사이의 터널링 전류에 기초하고
있다. 이 팁들은 하나의 원자점에 해당될 만큼 뾰족하고 전도성 물질이다.

A small bias voltage (mV to 3 V) is applied between a atomically sharp tip
and the sample. If the distance between the tip and the sample is large no
current flow. However, when the tip is brought very close ( 10 Å) without
physical contact, a current (pA to nA) flows across the gap between the tip
and the sample.

mV 에서 3V 의 작은 바이어스 전압의 원자수준의 뾰족한 팁과 시편사이제
작용된다. 만약 팀과 시편 사이에 거리가 크면 전류가 흐르지 않는다.
하지만, 팁이 물리적 접촉없이 10Å 보다 가까운 거리로 가까이 가면 pA 에서
nA 의 전류가 팁과 시편 사이에 흐른다.
Such current is called tunneling current which is the result of the
overlapping wavefunctions between the tip atom and surface atom,
electrons can tunnel across the vacuum barrier separating the tip and
sample in the presence of small bias voltage.

그러한 전류는 팁원자와 표면원자 사이의 파동함수가 중첩된 결과이고
터널링 전류라 불린다. 전자들은 작은 바이어스 전압의 존재 하에 팁과
시편을 분리하는 진공 장벽을 통해 터널링 할 수 있다.

The magnitude of tunneling current is extremely sensitivity to the gap
distance between the tip and sample, the local density of electronic states
of the sample and the local barrier height. The density of eletronic states is
the amount of electrons exit at specific energy. As we measure the current
with the tip moving across the surface, atomic information of the surface
can be mapped out.

터널링 전류의 크기는 팁과 시편 사이의 거리, 시편의 전자 상태으 국부
밀도 그리고 국부 장애 높이에 극도로 민감하다. 전자상태의 밀도는 특별한
에너지에서 전자 출구의 양이다(???). 우리가 표면 위를 움직이는 팁에 의한
전류를 측정함에 따라, 표면의 원자 정보의 지도를 그려낼 수 있다.

Here is a STM image showing iron atoms adsorb on a copper (111)
surface forming a "quantum corral"in a very low temperature (4K). Actually,
the image shows the contour of the local density of electron states. The
corral is about 14.3 nm in diameter

아래그림은 copper(111)표면위에 흡착된 철 원자의 STM 영상을 보여주는데
이는 매우 낮은 온도 (4K)에서 quatum corral 을 형성한다. 실제로 영상은
전자상태 국부 밀도의 윤곽을 나타낸다. Corral 은 반경이 14.3nm 이다.
                          STM: The Details


To understand the theory of how STM works, it is vital to know what is
tunneling current, and how it relates to all the experimental observations.

STM 이 어떻게 작동하는지를 이해하기 위해서는 터널링 전류가 무었인가
알아야 하고 실험적인 관찰들과 연관 되어질 수 있다.

                                  Tunneling current


Tunneling current is originated from the wavelike properties of particles
(electrons, in the case) in quantum mechanics. When an electron is
incident upon a vacuum barrier with potential energy larger than the kinetic
energy of the electron, there is still a non-zero probability that it may
traverse the forbidden region and reappear on the other side of the barrier.
It is shown by the leak out electron wavefunction in the following picture.

터널링 전류는 양자역학에 입자의 파동특성에 기인한다. 한 전자가 전자의
운동에너지 보다 큰 위치에너지를 갖고 진공 장벽에 입사하면, 금지된
영역을 횡단할 수 있는 확률이 0 이 아니며, 장벽으 다른쪽에 다시 나타난다.
다음 그림에서 보는바와 같이 전자 파동함수의 누설로 보여진다.
If two conductors are so close that their leak out electron wavefunctions
overlap. The electron wavefunctions at the Femi level have a characteristic
exponential inverse decay length K given by




m is mass of electron,   is the local tunneling barrier height or the average
work function of the tip and sample. When a small voltage, V is applied
between the tip and the sample, the overlapped electron wavefunction
permits quantum mechanical tunneling and a current, I will flow across the
vacuum gap.

만약 두 전도체가 너무 가까워 전자 파동함수 중첩이 누설되며, 페르미
준위에서 전자 파동함수는 붕괴 길이 K 는 다음과 같다.




여기서 m 은 전자의 질량이고 는 국부 터널링 장벽 높이 혹은 팁과 시편의
평균 일 함수이다. 작은 전압 V 이 팁과 시편 사이에 작용되면, 중첩된 전자
파동함수는 양자 역학적 터널링과 전류를 허용한다.
At low voltage and temperature




d is the distance between tip and sample. If the distance increased by 1
Angstrom, the current flow decreased by an order of magnitude, so the
sensitivity to vertical distance is terribly high. As the tip scans across the
surface, it gives atomic resolution image you now see.

낮은 전압과 온도에서 터널링 전류는




여기서 d 는 팁과 시편 사이의 거리이다. 만약 거리가 1Å 증가하면, 전류의
흐름은 크기의 10 배 감소한다. 그러므로 수직 거리의 민감도는 너무나 높다.
팁이 표면을 가로질러 스캔할 때, 원자 수준의 분해능을 갖는 영상을 얻을
수 있다.

This is the STM image of Si(111)-7x7 surface, the white spots represents
the position of the atoms.

이것으니 Si(111)-7x7 표면의 STM 영상이다. 흰 점은 원자들의 위치를
나타낸다.
       Remember !


STM does NOT probe the nuclear position directly, but rather it is a probe
of the electron density, so STM images do not always show the position of
the atoms, and it depends on the nature of the surface and the magnitude
and sign of the tunneling current.

기억해야 할 점은 STM 이 핵의 위치를 직접적으로 탐침하는 것이 아니라
전자 밀도를 탐침한다는 점이다. 그래서 STM 영상은 늘 원자의 위치는
보여주는 것은 아니다. 이는 표면의 특성과 터널링 전류의 부호에 의존한다.



                                  Local barrier height


Equation (2) obviously shows the current is exponentially depends on both
gap distance and the local barrier height, change of current might be due
to corrugation of the surface or to the locally varying local barrier height.
The two effects can be separated by the relationship.

식 (2)에서 전류는 갭의 거리와 국부 장애 높이에 지수적으로 의존한다는
점을 명백히 보여주며, 전류의 변화는 표면의 물결주름 모양에 기인하거나
국부적으로 변하는 국부 장벽 높이에 기인한다. 두 효과는 다음 관계식에
의해 분리될 수 있다.




The tip is vibrating vertically and the current is measured, in theory, the
local barrier height can be calculated. Again, if the tip rasters the surface,
map of local barrier height can be obtained. However, the local barrier
image also contain topographic features, some questions related to the
local barrier have so far remained unexplained. So, extra care needs to be
taken in performing such experiments.

팁은 수직으로 진동하며 전류는 측정된다. 이론적으로 국부 장벽 높이는
계산될 수 있다. 만약 팁이 표면을 주사하면 국부장벽높이의 지도가
얻어진다. 그러나 국분 장벽 영상은 표면의 형태를 포함하며, 국부 장벽에
관련된 몇 가지 의문은 설명되지 않고 있다. 그래서 이 실험을 행할 때는
추가적인 주의가 더 필요하다.



                             Local Density of States (LDOS)


Density of States (DOS) represents the amount of electrons exist at
specific values of energy. The tunneling conductance, (or I/V ) is
proportional to the LDOS.

상태 밀도(DOS)는 에너지의 어떤 값에서 존재하는 전자의 양을 나타낸다.
전도도()은 국부 상태 밀도(LDOS)에 비례한다.




where (r, E) is the local density of states of the sample.

여기서 (r, E)는 시편의 국부 상태 밀도 이다.

Keeping the gap distance constant, measure the current change with
respect to the bias voltage can probe the LDOS of the sample. Moreover,
changing the polarity of bias voltage can get local occupied and
unoccupied states.

틈거리를 일정하게 유지하면서, 바이어스 전압에 대해 전류의 변화를
측정하면 시편의 LDOS 를 조사할 수 있다. 더욱이 바이어스 전압의 극성의
변화시키면 국부 점유 및 비점유 상태를 측정할 수 있다.
When the tip is negatively biased, electrons tunnel from the occupied
states of the tip to the unoccupied states of the sample. If the tip is
positively biased, electrons tunnel from the occupied states of sample to
the unoccupied states of the tip.

팁이 음으로 바이어스가 되었을 때, 전자는 팁의 점유된 상태로부터 시편의
점유되인 않은 상태로 터널링 한다. 만약 팁이 양으로 바이어스가 되었을
때는 전자가 시편의 점유된 상태로부터 팁은 점유되지 않은 상태로 터널링
한다.

Here are the spectra for Si(111)-7 x 7 surface. The bottom spectrum is the
area averaged tunneling conductance measured by STM, and the top
spectrum is the surface states spectrum measures photoemision and
inverse photoemision. Both spectra show similar features.

여기 Si(111)-7 x 7 표면의 스펙트럼이 있다. 아래 스펙트럼은 STM 에 의해
측정된 평균 터널링 전도성이고, 위의 스펙트럼은 광방출과 역의 광방출을
측정한 표면상태 스펙트럼이다. 두 스펙트럼은 비슷한 형태를 보인다.




                   STM: Some Applications
STM : 응용예

Here are some examples of using STM in both surface science studies and
advanced technological applications.

표면과학 연구와 첨단 기술적 응용에 있어서 STM 을 이용한 몇가지 예를
보인다.

                                   Surface Science


표면 과학

The invention of STM have left a great impact on surface science. Uses of
STM to study metals and semiconductors surface can provide non-trivial
real space information. especially in studying semiconductor such as
Si(100) surface, which is the technologically important Si substrate material
for microelectronics device fibrication. The STM image of Si(100) surface
shown below gives direct confirmation of dimers formation during surface
reconstruction, although it has been previously suggested by theoretical
calculation and other experimental observations.

STM 의 발명은 표면과학에 엄청난 충격을 주었다. 금속과 반도체 표면
연구에 STM 을 사용하면서 매우 귀중한 실제 표면 정보를 얻을 수 있게
되었다. 특별히 Si(100) 표면 정보는 Si 이 전자공학 소자 제작 필요한 기판
재료임으로 기술적으로 굉장히 중요한 정보이다.          아래 그림에 보이는
Si(100) 표면의 STM 영상은 비록 이론적 계산과 다른 실험 관찰에 의해
이전에 이미 제안 되었다 할 지라도 표면 재형성 동안에 dimer 가 형성되는
것을 직접 확인 시켜준다.

Here are the bias-dependent STM images, the top left image, with positive
bias to the tip, the right one, with negative bias to the tip. The images
directly reflect the spatial distribution of the occupied -bonding state is
between the dimer atoms, while the unoccupied          -antibonding states
localized away from the dimer. The bottom pictures depict the model of the
reconstruction of the bulk-terminated (1x 1) lattices into a (2 x 1)
reconstruction via dimerization, the large dots represent atoms on top layer,
while small dots are atoms of second layer.

아래 바이어스 의존 STM 영상이 있다. 위의 왼쪽 영상은 팁에 양의
바이어스이고,    오른쪽  영상은  팁에  음의  바이어스이다.  영상은
이분자체(dimmer) 원자 사이의 점유된 -결합 상태의 공간 분포를
직접적으로    반영한다.  반면에 점유되지   않은  *-반결합 상태는
이분자체로부터      멀리 떨어져  국부에   위치한다.   아래 그림은
격자이분자체화(dimerization)를 통한 괴상-종결(bulk-terminated) (1x1)
격자 재조합의 (2x1) 재조합 모형을 나타낸다. 커다란 점은 꼭때기층의
원자를 나타내고, 작은 점은 두번째 층의 원자들을 나타낸다.




                              Metrological Applications



도량형 응용

The microtopography and nanotopography of a surface is crucial in many
applications, such as for high precision optical components and disk drive
surface roughness of machined or ground surfaces in area where such a
finish is crucial.
                    표면의 마이크로토포그래피 혹은 나노토포그래피는 고정밀
                    광학 부품과 디트크 드라이브 같이 끝마무리가 중요한
                    가공표면의 표면 거칠기등과 같이 많은 응용에서 매우
                    중요하다.

This is the STM image of and individual turn mark on a diamond-turned Al
substrate to be used for subsequent magnetic film deposition for a high
capacity hard disc drive. The image obtained by scanning electron
microscope (SEM) is shown to the right for comparison. The high spatial
resolution of STM provides an important complement to the SEM.

아래 그림은 고성능 하드 디스크 드라이브 제작을 위한 자성 박막을 증착하
기 위해 사용되는 diamond-turned Al 기판위에 개개 turn 마크의 STM 영
상이다. 주사 전자 현미경(scanning electron microscope) 영상은 비교를 위
해 오른쪽에 보인다. STM의 높은 공간 분해능은 SEM의 단점을 충분히 보
완한다.




                                     Manipulation of Atoms


원자의 처리

One innovative applications of STM recently found is manipulation of atoms. Here is an
example, Iron atoms are placed on Cu(111) surface at very low temperature (4K), Iron
atoms are first physisorbed on the Su surface, then the tip is placed directly over a
physisorbed atom and lowered to increase the attractive force by increasing the
tunneling current, the atom was dragged by the tip and moves across the surface to a
desired position. Then, the tip was withdrawn by lowering the tunneling current.
최근에 발견된 STM의 가장 혁신적인 응용의 하나는 원자의 조작
(manipulation)이다. 한가지 예를 들면, 철의 원자가 매우 낮은 온도에서
Cu(111) 표면에 놓인다. 철의 원자는 처음에 Cu 표면에 물리흡착하고 팁이
물리흡착된 원자위에 직접적으로 접촉하고, 터널링 전류를 증가함으로써 인
력이 증가하도록 팁을 낮추며 그 원자는 팁에 의해 표면위로 이끌어져 원하
는 위치로 움직인다.

These STM images show the steps of "quantum corral" formation




주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope)은 전자가속기 내에서
광속에 가까운 속도로 전자를 가속하고 그 가속된 전자를 이용하여 시편에
충돌 시킨 후 방출하는 이차전자를 이용하여 미세조직 및 형상을 관찰하는
장비이다. 전자총에서 방출하는 전자는 약 고전압(60~100keV) 범위의 전압
하에 가속되는데, 전자를 방출하는 전자총(electron gun)은 다음과 세가지
형태가 있다. (텅스텐 필라멘트, 보라이드, 열전자방출이 그것이다). 전자총에
고전압이 걸리면 필라멘트의 온도가 고온으로(270 까지) 올라가서
필라멘트의 끝부분에서 열전자(thermal electron)를 방출한다. 전자총은
구성은 그림 ???와 같다. 전자총에서 방출된 전자들은 집광렌즈에 의해
모아지고 대물렌즈에 의해 시편의 표면에 초점이 형성된 다음 주사
시스템의 전자기 휨 코일에 의해서 시료의 표면을 Scan 하게 된다. 입사빔이
시편에 충돌하면 시편에서 이차 전자들이 방출되는데, 이 이차전자들이
닿으면 빛을 방출하는 Scillation counter 에 모아지고 이 빛의 신호들이
광증폭기(photomultiflier)에 의해 증폭된 후 확대된 영상을 스크린 혹은
음극선관에 보여주게 된다.




현미경은 일상생활에 쓰이는 쌍으로 이루어진 안경이나 망원경과 비슷한데,
모든 현미경, 망원경 및 안경들은 보통 렌즈를 갖고 있다. 렌즈는 보통
유리로 이루어져 있고, 구부러진 빛을 받아들여 물질을 더 분명하게 보게
해준다. 안경에서는 렌즈가 빛을 휘게 하여 흐린 물체를 초점을 이루도록
하고, 망원경에서 렌즈는 멀리 떨어진 물체를 가깝게 보이도록 하여 잘
보이게 한다. 현미경에서는 렌즈가 매우 작은 물질을 확대하여 잘 보일 수
있도록 해준다.




 광학현미경은 의학, 과학 및 공학에서 널리 사용되지만, 원자와 같은 아주
작은 물질을 볼 수 있을 만큼의 고배율을 지원하지 못하므로 빛보다는
전자를 사용해야 한다. 전자는 원자를 구성하는 작은 입자이다.




빛 대신에 전자를 사용하는 현미경은 전자현미경이라고 칭한다. 전자현미경에서 빛을
사용하지 않기 때문에, 광학현미경에서 사용되고 있는 유리로 된 렌즈를 사용할 수 없다.
대신에 자석이 사용된다. 자석은 유리렌즈가 빛을 구부러지게 하듯이 전자를 휘게한다.
이러한 자석은 영상을 확대하게 하고 초점을 이루도록 한다. 맨눈으로 전자를 볼 수는
없으므로 TV 영상 신호를 만들기 위해서는 다른 장비가 필요하다. 실제로 집안에서
사용되고 있는 TV 는 영상을 만들기 위해 전자를 사용한다. 말하자면, 주사전자현미경은
자석들이 붙어있는 크고 멋진 TV 이다. 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope)은
형상을 형성하기 위해 빛보다는 전자는 사용하는 현미경이다. 광학현미경을 사용하는 대신
SEM 을 사용하면 많은 잇점이 있다. SEM 은 초심도가 커서 한번에 많은 양의 시편의
초점을 맞출 수 있다. 또한 SEM 은 높은 분해능의 영상을 제공하는데, 이는 높은 배율에서
아주 좁은 간격의 형상도 잘 볼 수 있게 해준다는 의미이다. 대부분의 SEM 은 단지 시편에
전도성만 부여하면 되므로 시편 준비가 상대적으로 쉽다. 그 외의 장점으로는 사용 배율의
범위가 높고 기기조작이 용이하며 분석의 소요시간이 짧다. 이러한 장점으로 인해 SEM 은
오늘날 연구분야에서 매우 잘 쓰이는 기기의 하나이다. 한편, SEM 의 단점이 몇가지가
                             -7
있는데 기기를 조작하는 동안 고진공(10 torr)을 반드시 유지해야 하고, TEM 보다는
분해능이 낮으며 액체나 젖은 시료는 취급이 불가능하다.




전자 현미경은 전자를 생성시키기 위해 전구와 비슷하게 생긴 것을 이용한다. 이것은 필라
멘트라고 하는데 와이어 조각으로 전기가 통하게 되면, 빛이 나오게 될 뿐만 아니라 전자도
나온다. 이러한 전자들은 일련의 자석에 의해 초점을 이룬다. 자석들은 전기에 의해 자성을
띠는 전자석이다. 전자들은 시편 위에 초점을 이루고 전자들이 시편 위를 충돌할 때 신호가
발생된다. 특별한 형태의 검출기가 TV 카메라와 같이 작동하고 시편의 영상은 TV 스크린에
나타난다. 전자가 어떻게 휘는가 하는 정도를 변화 시키거나 전자의 빔이 시편을 어떻게 충
돌하는가 하는 것을 변화 시킴으로써 배율을 변화시킬 수 있고, TV 영상의 초점을 이룰 수
있다.
1950년대 초 주사 전자 현미경의 개발은 매우 다양한 시편들의 검사를 가능하게 하는 그
능력으로 인해 의학과 물리과학의 새로운 영역의 발전을 동반시켰다. 여느 현미경에서와 같
이 SEM의 주된 목적은 확대와 분명히 보일 수 있도록 초점을 맞추는 일이다. 광학 현미경
은 광파를 휘게 하기 위하여 렌즈를 사용하고 초점을 맞추기 위해 렌즈를 조절한다. SEM에
서는 스크린에 영상을 생성하기 위하여 사용되는 전자빔을 휘게 하기 위하여 전자석이 사용
된다. 전자석을 사용함으로써 관찰자는 관찰하고자 하는 물체의 배율의 조절을 용이하게 할
수 있다. 전자빔은 또한 더 선명한 영상을 제공한다.
             The first modern scanning electron microscope,
              constructed by D. McMullan in the Cambridge
               University Engineering Laboratory in 1951.
     Source: Electron Optics and Electron Microscopy, P.W. Hawkes.

처음에 SEM 은 고체의 표면을 연구하기 위하여 고안되었다. 생성된 전자빔을 주사하고
현미경의 조작에 의해 초점을 맞춤으로서 TV 에서와 마찬가지로 영상이 생성된다. SEM 은
광학 현미경보다 더 큰 초심도를 제공한다. 이런 이유로 SEM 은 3 차원 시편의 영상을 잘
보여줄 수 있다.




SEM의 작동원리

SEM은 영상을 형성하기 위해 빛 대신에 전자를 사용한다. 전자빔은 현미경의 윗부분에서
금속 필라멘트의 가열에 의해 생성되고 전자빔은 현미경의 칼럼을 통하는 수직 경로를 따라
이동한다. 전자기 렌즈를 통해 전자빔의 방향을 조정하고 초점을 맞출 수가 있다. 일단 전
자가   시편에   충돌하면,   전자들이   되튀어   나오거나(backscattered)   새로이   2차   전자
(secondary electrn)들이 생성된다. 검출기는 되튀어 나온 전자들이나 2차전자들을 모아 일
반적인 TV에서와 같은 영상으로 볼 수 있는 신호로 변경한다.




SEM이 사용될 때에는 칼럼과 시편은 항상 진공상태에 있어야 한다. 진공(vacuum)이란 대
부분의 공기 분자들이 현미경내부로부터 제거 되어 있는 상태이다. 진공이 필요한 이유는
일반 전구의 경우와 같이 전자를 발생시키기 위해 가열시키는 필라멘트가 타버리기 때문이
다. 또한 칼럼이 공기로 가득차 있으면 진행하는 전자가 계속 충돌을 일으키고 시편에 도달
할 수 없기 때문이다. 만약 기체분자가 다른 성분들과 반응하면 시편위에 응축할 수가 있다.
이는 영상의 질을 저하시킬 수 있다. 시편을 준비하는 과정에서도 스퍼터 코터의 경우와 같
이 진공이 필요하다.


시편의 준비
SEM은 영상을 생성하기 위해 전자를 사용하므로 대부분의 일반적인 SEM은 시편을 전기적
으로 전도성이 되도록 해야 한다. 환경적인 SEM이라 불리는특별히 고안된 SEM은 비전도성
이나 젖은 시편까지도 사용할 수 있다. 모든 금속은 전도성이므로 따론 준비과정이 필요하
지 않다. 세라믹이나 플라스틱 같은 비전도성 시편을 보기 위해서는 전도성 물질의 박막을
입혀서 사용한다. 이를 위해서 sputter coater를 사용한다.




A sputter coater coats the sample with gold atoms. The purpose is to make non-metallic
samples electrically conductive. Sputter coater은 아르곤 기체와 작은 전기장을 사용한다.
시편을 진공챔버에 넣은 후 아르곤 기체를 주입하고 전기장을 가하여 전자들이 아르곤 원자
로부터 제거되어 양전하를 띠는 아르곤 양이온을 만든다. Ar 이온은 음으로 대전된 금박쪽
으로 이끌려지고 충돌하여 금원자를 금박지 표면으로부터 밀쳐낸다. 이들 금 원자들은 시편
의 표면에 부착되고 금코팅을 이룬다.


전자 소스(Electron Source)
전자는 다양한 물질의 금속 필라멘트로부터 나온다. 가장 일반적인 형태는 텅스텐 hairpin
gun이다. 이 필라멘트는 음극으로 작용하는 텅스텐의 loop이다. 전압이 이 loop에 가해졌을
때 가열이 시작된다. 필라멘트에 대해 양을 띠는 양극은 전자에 대해 강력한 인력을 가한다.
이는 전자를 양극으로             가속시키는 원인이 된다. 필라멘트의 다른 예는                          Lanthanium
hexaboride 필라멘트와 filed emission gun이다
원통형 자기렌즈에서 작용하는 힘
Source : "Electron Beam Analysis of Materials", M.H. Loretto

칼럼을 통한 빔의 경로


전자빔은 칼럼의 꼭대기에 위치하고 있는 전자총에서 생성된다. 이 빔은 양극으로부터 인력
을 받아 이동하며 콘덴서 렌즈에 의해 집중되고 대물렌즈에 의해 시편 위의 매우 정밀한 점
위에 초점을 형성할 수 있다. 주사 코일(scan coil)은 주사 발생기(scan generator)에 의해
생성된 전압의 변화에 의해 활성화 되고 앞뒤로 조절할 수 있는 형태로 전자빔을 편향 시킬
수 있도록 자기장을 형성한다. 변화하는 전압은 음극선(Cathode-ray tube)의 목 주위의 코
일에 적용되어 음극선관의 표면에 앞뒤로 편향할 수 있는 빛의 패턴을 만들어낸다. 전자빔
의 편향 패턴은 음극선관위의 빛 점의 편향 패턴과 같다.
전자빔은 시편에 충돌하여 시편으로부터 2차전자를 생성한다. 이들 전자들 2차 검출기 혹은
후방산란 검출기에 의해 모아지고 전압으로 변환되고 증폭된다. 증폭된 전압은 음극선관의
격자에 작용되고 빛의 지점의 강도가 변화하게 하는 원인이 된다. 영상은 음극선관 표면 위
에 변화하는 수많은 지점들로 구성되어 있고, 이는 시편의 실제 표면을 나타낸다.


SEM 빔선도 (SEM Ray Diagram)


아래 두 그림은 두 탐침 형성 렌즈의 초점 조건을 나타낸다. 근작업거리와 원작업거리. 두
조건은 갖은 콘덴서 렌즈와 구멍크기를 갖는다. 하지만 시편이 렌즈로부터 움직임에 따라
다음이 뒤따른다.
1) 작업거리 S가 증가된다.
2) 크기축소(demagnification)가 감소한다
3) Spot 크기가 증가한다
4) 발산 각도 alpha가 감소된다


크기축소의 감소는 렌즈의 전류가 감소할 때 얻어진다. 이는 순차적으로 렌즈의 초점 거리
f 를 증가시킨다. 시편의 분해능은 증가된 작업거리에 따라 감소된다. 역으로 장의 깊이는
발산각도가 작기 때문에 증가된 작업거리에 따라 증가된다.


전자빔과 시편의 상호작용


전자빔이 시편에 충돌할 때 광자와 전자 신호가 방출된다




이러한 모든 신호가 SEM에 존재할 지라도 모든 신호가 검출되고 정보로 사용되는 것은 아
니다. 가장 일반적으로 사용되는 신호는 2차전자(secondary electrons), 후방산란 전자
(backscattered electrons)와 X-선(x-rays)이다.


진공의 사용


SEM이 이용될 때 칼럼은 항상 진공하에 있어야 한다. 이에 대한 이유는 많이 있다. 만약
시편이 기체가 채워진 환경에 있으면 전자빔의 높은 불안정성 때문에 생성되거나 유지될 수
없다. 기체는 전자원인 필라멘트와 반응하여 타버릴 수 있게 하거나 전자에 의해 이온화 되
어 불규칙 방전(random discharge)을 생성시켜 빔의 불안정성을 유발시킨다. 다른 분자들
이 존재함으로서 전자 광학 칼럼을 통하여 전자빔이 이동하는 것을 방해할 수 있다. 시편으
로부터 생성되거나 현미경 자체로부터 생성된 다른 분자들은 화합물을        형성하여 시편의 표
면에 응축될 수 있다. 이는 영상의 contrast는 낮추거나 흐리게 하는 원인이 된다. 진공 환
경은 또한 시편에 전도성을 주기 위한 스퍼터 코터에서의 준비과정에서도 필요하다. 만약
시편이 코팅되기 전에 진공하에 있지 않으면, 기체 분자들이 아르곤과 금입자들 사이에 포
함될 것이다. 이는 편평하지 않은 코팅을 생성하거나 전혀 코팅이 생성되지 않게 한다.


시편 Chamber (Sample chamber)




Sample chamber                detectors


대물렌즈 (Objective Lens)


시편을 향한 전자빔의 초점을 맞추는 렌즈는 중심부에 있는 부분이고, 오른쪽에 있는 것은
2차전자 및 후방산란 전자 검출기들이다. 조작자는 각 시편에 대해 검출기를 선택하고 스위
치를 전환할 수 있는 파워를 갖는다. 2차전자 검출기를 이용하여       선명하고 초점을 맞춘 시
편의 표면 영상을 얻을 수 있다. 후방산란전자 검출기는 시편의 구성성분을 결정할 때 유용
한 영상을 얻을 수 있다. 시편에 있는 각각의 원소는 거의 흰색으로부터 검은색으로의 다른
음영으로 나타난다.
Sample stage
준비된 시편을 시료 stub에 탑재하여 stage위에 올린다.




시편 준비


두 타입의 SEM이 있는데 전도성 시편을 요구하는 regular SEM과 전도성 물질로 코팅을 하
지 않고 비전도성 물질을 조사할 수 있는 environmental SEM이다.
Regular SEM 을 준비하기 위해서는 3가지 요구사항이 있다
1) 진공을 뽑는 동안에 증발 할 수 있는 모든 물, 용매와 다른 물질을 모두 제거해야 한다
2) 모든 시편을 단단히 고정시켜야 한다
3) 벌레, 식물, 손톱 및 세라믹 같은 비금속 시편을 전도성를 부여하기 위해 코팅을 하여야
한다. 금속 시편은 SEM에 준비과정 없이 바로 넣을 수 있다.


주사 전자 현미경(SEM)은 작은 크기의 미세조직과 형상을 관찰할 때 쓰이는 현미경이다
분석능력의 척도가 되는 분해능(Resolution)은 0.2nm이고 확대범위는 약 30만배까지 이다.
SEM은 상을 얻고자 하는 샘플에 전자를 충돌시킬 때 발생하는 2차 전자를 이용하여 상을
만든다.
The   전자현미경은 거의 빛의 속도로            이동하는 전자의 파동성을 이용한

전자가속기로서 전자비임을 전자기렌즈를 이용하여 촛점을 형성한다.
가속전압은 대개 60-100 keV 이고 illumination source 로서는 텅스텐으로
만든 filament 를 사용하는데, 이를 전자총 (electron gun)이라고 부른다.
전자총에 고전압이 걸리면 filament 가 2700K 까지 온도가 올라가서
filament 의 끝부분에서 열전자(thermal electron)를 방출하게 된다. 이
방출된        열전자         혹은        전계전자(Field-emitted electron)들은
집광렌즈(condenser lens)에 의해서 모아지고 대물렌즈(objective lens)에
의해서 시편의 표면에 초점이 형성된 다음 주사 시스템(scanning system)의
electromagnetic deflection coil 에 의해서 시표의 표면을 훑게(scan) 된다.
입사비임이 시편에 충돌하면 시편에서는 2 차전자(secondary electron)들이
방출되는데, 이 2 차전자들이 닿으면 빛을 방출하는 scintillation counter 에
모아지고 이 빛의 신호들이 photomultiplier 에 의해 증폭된 다음 확대된
영상을 스크린 혹은 CRT 에 보여주게 된다.
렌즈 시스템과 시편은 세로로 된 원통형의 column 속에 위치하게 되고
내부는 진공에 가깝게 유지된다. 진공을                 유지시키는 이유는 전자들이
filament 에서 나와 시편에 이를 때 까지            공기중의 분자들과 충돌하여
진로를 잃는 것을 방지하기 위해서 이다.                 전자들이 10-4 torr 정도의
진공에서는 mean free path 가 약 125cm        에 불과하기 때문에 약 10-7
torr 이상의 고진공이 필요하다.
SEM 에서는 가속된 전자비임이 Au 혹은 Au-Pd 합금으로 coating 된 시편에
반사되거나 (backscattered)혹은 가속된 전자비임에 의하여 방출된
전자(secondary electrons)에 의하여 시편의 표면 영상을 확대하여 보여준다.
이러한 과정은 좁고 강한 전자비임으로 아주 작은 illumination spot (2Å &
200Å diameter)을 시편에 형성하고 이 spot 이 옆으로 이동하면서
시편표면에 spot 의 직경과 같은 크기의 아주 좁은 띠를 형성하면서
훑으면서 secondary electron 이나 back scattered electron 의 signal 을
발생시킨 뒤, probe spot 이 원래 출발위치보다 위나 아래쪽으로 spot 의
직경만큼 재빨리 이동한 다음, 다시 띠 형태의 시편영역을 훑으면서 신호를
발생시키는 과정을 반복하여 전체 영상을 형성한다. 이러한 line pattern 을
raster 라고 하는데 마치 TV 의 작동원리와 비슷하다.




전자현미경의 분해능

광학현미경의 작동원리나 한계에 대한 물리적 법칙들이 전자현미경에도
그대로 적용된다. 차이점은 유리렌즈대신에 전자기렌즈를 사용하는 것과
빛의 파장이 다르다는 것 뿐이다. 분해능은 illumination system 의 파장,
대안렌즈나 대물렌즈의 numerical aperture(NA)에 의해 결정된다. 이러한
관계는 Abbé 에 의하여 수학적으로 R = 0.61 [[lambda]]/NA 로서
표시되었다. 따라서 1.4 의 numerical aperture 를 가진 대물렌즈를 사용하면
가시광선 ([[lambda]]avg = 550nm)을 사용하는 광학현미경의 경우에는
~0.2 mm (or 200nm)이다. 따라서 광학현미경의 최대배율은 x1000-1500 에
불과하다. 전자들은 전자기파의 파동성격을 지닌 하전된 입자로서 de
Broglie's equation 에 따르면 전자비임의 파장은 전자들의 속도에
반비례한다:[[lambda]] (nm) = 1.23/[[radical]]V 전자현미경의 전자총에서
방출된 전자의 속도는 가속전압에 비례하므로 짧은 파장의 전자비임을
이용하여 고배율을 얻을 수 있다.




              주사전자현미경(SEM)의 개발 역사


첫번째 주사전자현미경은 1942 년 Zworykin et al.1 에 의해서 개발되었는데,
전자총이 현재의 주사전자현미경과는 달리 밑에 있고 3 개의 전자기 렌즈와
주사코일로 구성되어 있었고 2 차전자에 의해서 형광스크린에 형성된
scintillation 을 photomultiplier tube 가 탐지하는 형태였다. 이보다 앞서
1938 년 M. von Ardenne2,3 이 주사전자비임을 이용하였으나 이는 얇은
시편을 투과하는 전자비임, 즉 STEM(scanning transmission electron
microscope)이였다.
1948 년 케임브리지대학의 C.W. Oatley 는 Zworykin 의 아이디어에 기초를
두고 SEM 의 제작을 시작하였으며 그의 대학원생인 D. McMullan4 은
박사학위논문에서 500A 의 분해능까지 얻을 수 있다고 주장하였다.
그 후, K.C.A. Smith5 은 전자광학시스템의 많은 부분에 수정을 가하여
정전기렌즈(electrostatic lens)를 전자기렌즈(electromagnetic lens)로
교체하였고 double deflection scanning system 을 채택하였으며 보다 나은
imaging 을 위하여 gamma processing 이라는 non-linear signal
processing 을 이용하였다.
그 다음의 발전은 주로 신호를 수집하고 처리하는 과정을 개선한 것인데
Zworykin 에 의해서 처음에 사용되었던 형광스크린과 Photomultiplier 는
light pipe 를 이용하여 개선되었는데, light pipe 는 scintillatior 와
photomultiplier 를 직접 광학적으로 연결하여 효율을 크게 높였다. 이러한
detector 의 개선은 주로 T. E. Everhart 와 R. F. M. Thornley 에 의해서
개발되었는데, 따라서 이러한 detector 구성을 Everhart-Thornley
detector 라고 부른다.
이후 케임브리지대학의 R. F. W. Pease 와 W. C. Nixon 은 현재와
마찬가지로 전자총을 위쪽에 배열하여 전자기 렌즈, double deflection scan
coil, stigmation coil, Everhart-Thornley detector 을 모두 사용한 SEM V 를
개발하였는데, 이것이 1965 년에 개발된 시판용 전자현미경인 Cambridge
Scientific Instruments Mark I 의 토대가 되었다. 이 첫번째 상업용 SEM 은
분해능이 25nm, 배율 x20 - x50,000, field of view 가 광학현미경의 300 배
정도로 획기적인 것이었다.

  1.   V. K. Zworykin, J. Hiller and R. L. Snyder, ASTM Bull. 117, 15 (1942)
  2.   M. von Ardenne, Z. Phys., 109, 553 (1938)
  3.   M. von Ardenne, Z. Techn. Phys., 19, 407 (1938)
  4.   D. McMullen, Ph.D. Dissertation, Cambridge University (1952)


                          주사전자현미경(SEM)의 구성


SEM 은 집광렌즈(condenser)와 대물렌즈(objective)를 가지고 있으나,
광학현미경이나 투과전자현미경(TEM)처럼 빛의 법칙에 따라서 화면을
형성하지 않고, 전자기렌즈가 전기가 통하는 시편의 표면에 초점을 형성한
전자비임 spot 을 형성하고 이 spot 이 관찰하고자 하는 시편부위를
scanning 하여 영상을 형성한다. 이 과정중에 여러가지 형태의 radiation 이
발생하지만 SEM 에서는 시편의 가장 표면에 가까운 영역에서 발생하는
2 차전자(SE: Secondary Electron)를 이용한 것으로 적당한 신호처리 과정을
통하여 CRT 에 영상을 나타나게 한다.
CRT 에 나타난 영상의 한점의 밝기(brightness)는 전자비임과 시편의
상호작용에 의해서 시편의 그 부위에서 발생되는 2 차전자의 갯수에
비례한다. 전자비임의 시편의 한점 한점에서 2 차전자의 signal 을 수집하여
CRT 에 보내는데 scanning 하는 속도가 빠른 반면 CRT 의 phosphor 는
비교적 장시간동안 밝기를 유지하기 때문에 CRT 에서는 연속적인 tone
image 를 형성한다.

SEM 의 구성요소

  1. Vacuum system - Remove air molecules
  2. Electrical Optical System - Focus and control the e beam
  3. Specimen stage - Insertion and manipulation
  4. Secondary electron (SE) detector - Collect signal
  5. Electronics - Display image

 Vacuum system 은 TEM 의 진공 system 과 유사하게 mechanical
pumps 와 oil diffusion pumps 로 구성되어 있다. 진공 system 의 기본
기능은 전자현미경의 column 내에서 공기분자들이 고에너지 입사 전자나
시편에서 방출되는 2 차전자들과의 충돌을 방지하도록 column 내의 공기를
빼내는 것이다.

   Electrical optical system 은 전자기렌즈(electromagnetic lenses),
deflection coils, 그리고 필라멘트를 떠난 전자가 시편에 닿을 때 까지
전자비임의 경로를 조절하는 stigmators 로 구성되어 있다. 전자를
방출시키는 전자총은 SEM 에서 중요한 부분중의 하나인데, Tungsten
filament cathode, LaB6 filament cathode, 그리고 field-emission
cathode 등이 사용되고 있다. 가장 일반적으로 사용되는 Tungsten filament
cathode 의 구성은 다음 그림과 같다.
필라멘트는 약 100 ㎛굵기의 V 자 형태의 텅스텐 wire 가 금속지지대에
용접되어 있고 또 이 금속지지대는 세라믹 절연체로 절연되어 있다. 텅스텐
필라멘트가 약 2,700K 정도의 온도까지 가열되어 열전자를 방출한다.
Whenelt cylinder 와 anode 가 없으면 필라멘트에서 방출된 전자들이
필라멘트의 주변에 머무르게 되고 이들이 "space charge"를 형성하여
필라멘트로부터 더 이상의 전자방출이 어렵게 만든다. Anode 는 접지가 되어
있기 때문에 필라멘트보다는 + 를 극성을 가지므로 전자들을
필라멘트로부터 끌어 당겨 전자비임의 1 차 가속을 시킨다. 그러나 전자들의
이동, 즉 current flow 는 매우 느리고 또 가속전압에 영향을 받으므로
grid 혹은 Whenelt cup 을 이용하면 필라멘트의 space charge 를 조절할 수
있을 뿐만 아니라 beam 을 집속시키고 비임 current 까지 증가시킬수가 있게
된다.

1951 년에 Lafferty (J. M. Lafferty, J. Appl. Phys. 22, 299-309 (1951) )가
LaB6 과 같은 희토류산화물이 높은 열전자 방출효과가 있다는 것을 발표한
이래 텅스텐보다 10 배정도 높은 휘도의 LaB6 가 전자총에 많이 이용되고
있으나 텅스텐 필라멘트의 작동 진공(10-5)보다 높은 진공(10-6 - 10-7)을
필요로 한다.




                     LaB6 전자총의 여러가지 design
이 열전자들이 높은 전압이 걸린 양극쪽으로 가속되어 진행하여 전자
비임을 형성하고, 2 개 혹은 3 개의 집광렌즈(condenser lenses)에 의해서
2nm 이하 크기의 spot 을 형성한다. 일반적으로 spot 의 크기가 작을수록
SEM 의 분해능은 증가한다. 각각의 렌즈는 고정되거나 혹은 여러가지
크기의 aperture 를 가지고 있어서 spot size 를 줄이거나 구면수차(spherical
aberration)를 감소시키는데 이용된다.

  대물렌즈(objective lens)라고 불리우눈 마지막 집광렌즈는 시편의 표면을
scanning 할 마지막 크기의 spot size 를 결정하는 역할을 하는데 2 개의
deflection coils 과 stigmator 로 구성되어 있다.

 Deflection coil 은 scan generator 에 연결되어 시편 표면에 형성된
전자비임 spot 을 체계적으로 이동시킬 수 있도록 되어 있다. SEM 의 배율
변경은 시편을 scanning 하는 전자비임의 길이를 변화시킴에 따라서
가능하다. 예를 들어 시편위 10mm 거리에서 scanning 하여 10 cm 의
CRT 에 영상을 나타내면 배율이 10 x 가 되고 10 micrometer 의 거리에서
scanning 하면 10,000 x 의 배율이 된다.




 Corrections: 비점수차와 영상의 일그러짐은 SEM 에서 종종 발생하는데,
이는 CRT 의 화소(pixel)는 둥근데 반하여 시편에 입사되는 전자비임이나
시편에서 방출되는 2 차 전자의 spot 이 정확히 둥글지 않기 때문에
발생한다. 시편에 입사되는 타원형의 spot 을 CRT pixel 의 원형으로
맞추고자 할 때 비점수차가 발생하고, 이것이 SEM 의 분해능을 제한하는
가장 큰 원인이 된다. 모든 SEM 은 한쌍의 stigmators 가 장착되어 있는데
일그러진 spot 에 반대의 전자기장을 걸어서 교정하기 위함이다.

  Apertures (50 - 200 micrometer): Aperture 의 크기가 작으면 spot size 가
작아지고 통과하는 전자들의 수가 감소하며 구면수차( spherical
aberration)를 감소시켜 depth of field 를 증가시킨다. Depth of field 는 또한
마지막 집광렌즈의 아래쪽부터 시편까지의 거리(working distance)에 의해서
영향받는다. Working distance 가 증가하면 aperture angle 이 감소하므로
working distance 를 증가시키면 depth of field 도 따라서 증가한다.
                  SEM 의 분해능(resolution)


광학현미경에서와 마찬가지로 SEM 의 분해능은 서로 가까이 떨어져 있는
2 개의 물체를 화면이나 사진에서 2 개의 물체로 인식할 수 있는 능력을
가르킨다. 전자비임의 spot size 가 감소하면 분해능이 증가하고 마지막
렌즈는 전자비임의 크기를 관찰하고자 하는 배율의 크기로 초점을 맞추는
역할을 수행한다. Aperture 의 크기가 감소하면 구면수차(spherical
aberration)과 spot size 를 동시에 감소시킴에 따라 분해능이 증가할 뿐만
아니라 depth of field 도 증가시킨다. 그렇지만 시편에 입사되는 전자들의
갯수를 제한시키므로 signal(즉, 2 차전자의 수)이 또한 감소하게 되는
단점이 있다.

                전자비임과 시편과의 상호작용


전자들이 15 내지 25kV 의 전압에 의하여 가속되어 시편과 충돌하면,
상호작용에 의하여 여러가지 형태의 radiation 을 방출한다. 전자의 속도나
시편의 밀도에 따라서 전자비임은 시편내 수 micrometer 까지 침투해
들어간다. 시편의 표면에 입사되는 전자비임의 직경이 예를 들어 2
micrometer 라고 할지라도 전자들은 시편에 입사된 후 시편내의 원자들과
상호작용하여 전자의 에너지를 잃을 때 까지 임의의 방향으로 산란되어
퍼지게 된다. 이 결과, 전자비임이 시편에 입사된 종단면(longitudinal cross
section)을 보면 전자비임이 시편과 상호작용한 부분이 눈물형태(teardrop-
shaped area)의 형상을 가지게 된다.
일차 입사전자(primary electron beam)이 시편의 원자들과 상호작용을 하면
탄성산란(elastic scattering)과 비탄성산란(inelastic scattering)의 2 가지
산란를 겪는다.

Elastic Scattering
탄성산란을 겪은 전자는 전자의 속도나 에너지를 잃지 않은 채 방향만을
바꾼 전자를 말한다. 이와 같은 탄성산란은 전자비임이 시편내 원자핵과
충돌하거나 혹은 매우 가깝게 통과할 때 발생하는데 이를 backscattered
electron 이라고 부른다. 이러한 높은 에너지를 가진 backscattered
electron 은 시편을 빠져 나가기 전에 전자비임이 처음 입사된 부위보다
떨어진 곳에서 다시 시편내의 원자들과 상호작용을 하여
2 차전자(secondary electrons)를 방출하기도 한다. 만일 backscattered
electron 이 전자현미경의 내부 부품을 때릴 때에도 역시 2 차전자를
방출시키는데, 이렇게 방출된 2 차전자들은 시편에서 나온 2 차전자들과
섞여서 최종 image 에 noise 로 작용하게 된다.

Inelastic Scattering
비탄성산란시에는, 입사비임이 시편의 원자와 상호작용하여 입사비임보다
낮은 에너지의 전자 혹은 2 차전자를 방출시킨다. 2 차전자들은 0 에서
50eV 까지의 에너지를 가지며 이러한 2 차전자들이 detector 에 의하여
취합되어 image 를 형성한다.




              주사전자현미경(SEM)의 작동원리


주사전자현미경의 작동원리를 아래의 그림을 보면서 고려하여 보자.




위쪽의 "Virtual Source" 은 가속전압에 따른 일정한 파장(monochromatic)의
전자 비임을 방출하는 전자총을 나타낸 것이다. 방출된 전자 비임은
일반적으로 " coarse probe current knob"에 의하여 조절되는 첫번째
집광렌즈(condenser lens)에 의하여 집광된다. 첫번째 집광렌즈( CL 1)는
전자비임을 집광할 뿐만 아니라 집광조리개(condenser aperture)를 사용하여
비임의 진행방향에 큰 각도로 이탈하는 전자들을 제거하여 비임의 전류량을
제한하는데에도 사용된다.
" fine probe current knob"에 의하여 조절되는 2 번째 집광렌즈는 전자들을
얇고 결이 맞으며(coherent) 고밀도로 집광된 전자비임을 형성하고 사용자가
선택할 수 있는 조리개로서 비임으로부터 큰 각도를 가지는 전자들을
제거한다.
일련의 coils 들이 scan speed 에 의하여 정해진 시간(대개 10-6 sec 만큼
되면서 한 점에 유지되면서 TV 수상기와 마찬가지로 scanning 을 한다.
대물렌즈(Objective lens)가 scanning beam 을 시편에 촛점을 맞추도록 한다.
전자비임이 시편에 충돌하면 시편과 상호작용하여 여러가지 전자들과 X-
선등을 방출하는데 주사전자현미경에서는 2 차전자(secondary electron)을
이용한다. 비임이 수 10-6 초 동안 머무른다음 다음의 dwell point 로
이동하기전에 CRT 에 2 차전자의 갯수에 비례한 밝기의 pixel 을 표시한다.
이러한 과정이 시편의 관찰영역 전체를 초당 30 회 정도로 반복하여 시편의
영상을 CRT 에 표시한다.

다음의 그림들은 Bi-Sr-Ca-Cu-O 고온초전도체 system 에서 발견되는
불순물상으로서 Bi-free phase 를 SEI(Secondary Electron Image),
BEI(Back-scattered Electron Image), 그리고 Bi-원소에 대한 X-ray dot
mapping 을 한 사진들이다. SEI 에서는 표면의 상세한 부분을 관찰할 수
있으나 기지상(matrix phase)가 2 가지의 상으로 구성되어 있는 것이 잘
관찰되지 않는 반면, BEI mode 에서는 Back-scattered Electron 의 강도가
원자번호에 비례하므로 원자번호가 큰 원소가 많이 포함되어 있는 부분은
밝게 나타나고 그렇지 않은 부분은 어둡게 나타나서 쉽게 상들을 구별할 수
있다. 또한 각 원소의 분포는 마지막 그림과 같이 X-ray dot
mapping 으로서 쉽게 알 수 있다.
2 차전자의 발생
SEM 의 영상이 입체감이 있는 것은 시편의 여러가지 구조적 특징들로 인한
contrast 의 차이에 기인한다. 시편의 서로 다른 부위에서 전자비임이 시편과
충돌할 때 발생하는 2 차전자의 수가 서로 다르기 때문에 contrast 가
발생하는데 많은 수의 2 차전자를 발생하는 부위는 밝게 보이고 작은 수의
2 차전자를 발생하는 부위는 어둡게 보인다. 시편의 부위에 따라 2 차전자를
발생시키는 효율(yield of secondary electrons)은 시편의 입사전자비임에
대한 기울기와 2 차전자 detector 에 대한 시편부위의 topology 에 따라서
변화한다. 2 차전자를 발생시키는 효율은 시편 부위가 입사전자비임의
spot 에 노출되고 시편의 면이 detector 를 향하고 있을 때 가장 높아서
CRT 에 밝게 나타난다.
또 2 차전자 발생 효율에 미치는 인자로서 입사전자비임이 시편의 면과
이루는 각도를 생각할 수 있는데, 만일 입사비임에 시편면과 90 도의
각도로서 충돌하게 되면 전자비임이 시편내로 깊게 침투하게 되고 따라서
시편 내부에서 발생한 2 차전자들이 시편 바깥으로 나올 수 없게 된다.
반대로 입사비임이 시편면과 거의 평행에 가까울 정도로 입사하게 되면
전자비임이 시편내로 깊숙히 침투하지 못하게 되므로 많은 수의
2 차전자들이 시편 바깥으로 나와 detector 에 탐지되게 된다. 둥글게 생긴
물체가 납작한 물체보다 전자비임에 대하여 작은 각도로 위치할 가능성이
높으므로 둥글게 생긴 물체의 바깥쪽으로 둥글게 생긴 영역이 뚜렷이
나타나는데, 이는 2 차전자 발생 효율이 높기 때문이다.
또한 시편면으로부터 돌출된 얇은 시편부위는 대개 넓고 평탄한
시편부위보다 훨씬 밝게 나타나는데, 이현상은 주로 시편의 날카로운
모서리에서 많이 발생하므로 " edge effect "라고 부른다. 시편의 얇은
모서리부분이나 돌출된 부위에서는 2 차전자들이 시편 밖으로 탈출할 확률이
높기 때문에 이와 같은 가속전압이 높으면 전자비임이 시편내로 침투하는
깊이가 증가하므로 contrast 가 감소하지만 시편의 모든
형상(topology)로부터 2 차전자들이 방출될 확률을 증가시킬 수 있다. 만일
SEM 관찰중에 더 높은 contrast 가 요구될 시에는 가속전압을 낮추어
contrast 를 증가시킬 수 있다. 불완전하게 coating 된 시편이나 접지가
완전히 되지 않은 시편에서는 하전이 축적되어 contrast 가 증가할 수 도
있으나 전체적인 영상의 질은 감소하게 된다. Coating 이 불완전하면
입사비임으로부터 시편의 coating 이 안된 부위에 정전하가 축적되어 밝게
보이게 되고 접지가 불안하면 축적된 전하들을 빨리 분산시키지 못하여
밝게 보인다.
SEM 의 작동 Mode 는 크게 2 가지로 구분할 수 있는데 2 가지의 조건을
동시에 만족시킬 수는 없다.

     high resolution mode: small spot size, small aperture, adequate
      signal, 적절한 가속전압, short working distance, proper stigmation.
     greater depth of field mode:small apertures, long working distances,
      low magnifications

                           2 차전자 Detector


전자비임이 시편과 충돌 결과 발생하는 신호는 시편에 관한 여러가지
정보를 전달한다. 여기에는 전자비임의 spot 과 시편과 충돌한 부분에서
나오는 유용한 정보 외에도 noise 라고 불리우는 spot 외의 영역으로부터
나오는 정보도 포함된다.
유용한 신호와 그렇지 않은 신호사이의 관계를 표시하는 용어가 S/N
ratio(signal to noise ratio)이다.
영상의 질이 떨어져서 S/N ratio 가 사용하지 못할 범위에 들어가면 S/N
ratio 가 낮다고 표현한다. 따라서 영상의 질을 높여 만족할 만한 영상을
얻기 위해서는 noise 를 줄이거나 signal 을 높여야 하는데, 일반적으로
noise 는 줄이기 어려우므로 크기가 큰 aperture 를 사용한다든지 혹은
working distance 를 줄인다든지 하여 signal 을 높이는 방법을 사용한다.

전자비임이 시편과 충돌한 다음에 낮은 에너지의 2 차전다는 서로 다른
각도로 시편으로부터 나온다. 전자들은 (-)의 하전을 가지고 있기 때문에
2 차전자들은 (+)의 하전을 가진 쪽으로 이끌리게 되는데 2 차전자
detector 는 이러한 2 차전자들을 취합하도록 고안되어 있다. 2 차전자들은 -
100V 에서 +300V 로 전압이 걸려있고 detector 를 둘러싸고 있는 Faraday
cage 로 이끌리게 된다. 2 차전자들이 Faraday cage 에 가깝게 이르렀을 때
+12,000V 의 전압이 걸려있고 얇게 알루미늄으로 coating 이 되어있는
detector 의 끝부분으로 더욱 강하게 이끌리게 된다.
2 차전자들은 얇은 알루미늄막을 통과할 정도로 충돌하게 되고, 그 다음
인광(phosphorescent)의 scintillator 물질에 충돌하여 빛(scintilla)을
방출하면, 이 빛은 lucite 나 quartz 로 구성된 light guide 를 따라서 이동한
뒤, 이 빛이 photomultiplier 의 끝에 위치한 photocathode 을 때리게 된다.
Photocathode 는 빛이 충돌하면 전자를 방출하는 물질로 coating 이 되어
있으므로, 여기에서 나온 광전자들(photoelectrons)이 전자들의 개수를
비례적으로 증가시키는 photomultiplier 에 들어간다. SEM 에 장착된
photomultiplier 의 gain 을 변화시키는 부위는 모니터에 나타나는 영상
전체의 contrast 를 변화시키는 역할을 한다.

Photomultiplier 에 의해서 발생된 약한 전압은 SEM 의 preamplifier 와
amplifier 에 들어가서 약한 신호를 강하게 전기적으로 바뀐다. SEM 을
작동할 때 preamplifier 의 출력을 증가시키면 영성의 전체적인
밝기(brightness)가 증가하게 된다.

SEM 에서 CRT 에 나타난 영상을 기록하는 방법을 TEM 의 경우와 다르다.
TEM 에서는 전자들이 직접 사진건판과 작용하지만 SEM 에서는 일반적으로
CRT 의 영상을 4" x 5" 폴라로이드 필름이나 무기재료공학과에서 사용하는
2" x 3" Kodak verichrome film 으로 기록되게 된다.

                SEM SPECIMEN PREPARATION


시편은 보통 금속(대개 알루미늄)으로 만든 원통형에 holder 에 고정되고
입사전자비임이 시편과 충돌할 때 발생하는 고전압의 정전하를 방지하기
위하여 적절히 접지되도록 고정된다. 대부분의 SEM 은 시편을 회전시키거나
x, y, z 축 방향으로 이동시킬 수 있도록 조절이 가능하며 특정 detector 에
의해서 전자들의 취합이 용이하도록 시편의 기울기도 조절이 가능하다. 이와
같은 조절의 적절한 조합은 관찰하고자 하는 부위를 정확히 위치시키도록
할 수 있을 뿐만 아니라 magnification, contrast, resolution, depth of
field 등에도 영향을 미친다.
따라서 관찰한 시편의 영상이 좋지 않을 경우에는 시편의 방향을
재조정하여 영상의 질을 향상시킬 수 있다.

Surface Cleaning
시편의 파단면(fractured surface)를 관찰하든지 혹은 diamond blade 등으로
절단한 다음 SiC, Al2O3 powder, diamond paste 등으로 연마하여 관찰하든지
간에, 최종 coating 을 하기 전에 시편을 깨끗하게 청소할 필요가 있다.
세라믹스나 금속 시편은 수화반응(hydration)이 없을 경우에는 연마과정중에
흐르는 물로서 깨끗히 한 후, 다음의 미세한 연마단계로 넘어가야 한다.
그리고 연마가 완료되면 시편의 표면에 남아 있는 연마물질이나 시편에서
떨어져 나온 입자들을 씻어내기 위하여 초음파 세척기를 사용하여 기공이나
입계에 남아 있는 불순물들을 제거한다.
Specimen Coating
시편을 적절한 specimen stub 에 붙인 다음 약 20 - 30nm 정도의 얇은
두께로 gold, platinum, 혹은 gold/palladium alloy 의 금속을 sputter coating
machine 을 사용하여 coating 인다. 금속 coating 은 시편에 축적되는
고전압의 하전을 specimen stub 과 접지된 SEM 의 시료실(specimen
stage)을 통하여 방전시킨다. 시편의 coating 은 정전하를 방지하는 역할
외에도 우수한 2 차전자의 source 로서 작용하고 또 고에너지의 입사비임이
시편과 충돌할 때 발생하는 열을 방출시키는 역할도 한다.




                    Sputter Coating Procedure


SEM 시편을 얇은 금속막으로 coating 하는데 가장 많이 사용되는 방법은
plasmasputtering 혹은 sputter coating procedure 라고 불리우는 방법이다.
시편이 부착된 metal stub 을 specimen chamber 넣은 다음 rotary vacuum
pump 를 사용하여 진공을 유지하도록 한다. 이렇게 진공을 유지하는 이유는
시편의 표면에 damage 를 줄 가능성이 있는 수분 및 산소분자를 제거하기
위한 것이다. Specimen chamber 가 적절한 진공 수준에 이르렀을 때
Argon 과 같은 불활성기체를 100 mtorr 정도의 부분 진공상태를 유지할
정도의 유량으로 서서히 chamber 속으로 주입시킨다. 1 - 3 kV 의 전압을
target (Au/Pd)에 걸어서 Argon gas 분자들이 Ar+과 전자들로 되도록
이온화시키면 (-)로 하전된 target 에 Ar+ 이온들이 충돌하여 금속원자들이
방출된다. 이렇게 방출된 원자들은 chamber 내의 Ar+이나 전자들과 같은
여러 이온과 충돌한 다음 결국 시료의 표면에 쌓여 금속 coating 을
형성한다. 이 때, 금속원자들이 직선이 아니라 임의의 방향으로 쌓이게
된다는 사실이 중요한데, 이는 시료를 여러 각도에서 충돌하게 되어
불규칙하게 생긴 시료의 파단면도 일정한 두께로 coating 이 되도록 해준다.
시료에 coating 되는 두계는 시료의 형상과 current 의 양에 따라 차이가
나지만, 일반적으로 15 - 40nm 정도의 두께가 적절하다.
http://www.wcaslab.com/TECH/xrf.htm#X-Ray%20Spectra


http://www.learnxrf.com/Principles_of_XRF.htm


http://www.geology.wisc.edu/~johnf/660.html




Basic Theory of X-ray Fluorescence

X-선 형광 분광법의 기본 이론

                                X-ray Fluorescence Introduction


                                      X-선 형광 분석법 서론


Although X-ray fluorescence spectroscopy is no longer regarded as a new instrumental
technique for elemental analysis, ongoing evolutionary developments continue to redefine the
role of this important analytical tool. From the demonstration of the first principles in the 1960’s
to the development of the first commercial instruments in the 1970’s, the increasing availability
of affordable computational power has a least been as important to the desirability and
acceptance of the technology as innovative hardware design. With the widespread availability
and use of a 32-bit microprocessor personal computer as the industry standard platform, X-ray
fluorescence spectroscopy has become a useful and complimentary laboratory tool to other
techniques.


X-선 형광 분광법은 더 이상 원소 분석을 위한 새로운 기술은 아닐지라도 계속적인
혁신적인 기술 발전으로 그 역할이 재 정립되고 있다.                                1960 년대에 처음 그 원리가
대두되었고, 1970 년대에 이르러 상업적인 기기가 처음 개발되었다.                                      컴퓨터의 발전은 XRF
기술의 발전에 많은 기여를 하였고 다른 많은 분석 기술들을 능가하는 실험실의 필수
도구로 자리매김하게 되었다.


                                   X-Ray Fluorescence Theory
An electron can be ejected from its atomic orbital by the absorption of a light wave (photon) of
sufficient energy. The energy of the photon (hv) must be greater than the energy with which the
electron is bound to the nucleus of the atom. When an inner orbital electron is ejected from an
atom, an electron from a higher energy level orbital will be transferred to the lower energy level
orbital. During this transition a photon maybe emitted from the atom. This fluorescent light is
called the characteristic X-ray of the element. The energy of the emitted photon will be equal to
the difference in energies between the two orbitals occupied by the electron making the
transition. Because the energy difference between two specific orbital shells, in a given element,
is always the same (i.e. characteristic of a particular element), the photon emitted when an
electron moves between these two levels, will always have the same energy. Therefore, by
determining the energy (wavelength) of the X-ray light (photon) emitted by a particular element,
it is possible to determine the identity of that element.


X-선 형광 분광법의 이론


전자는 충분한 에너지를 갖는 광자의 흡수에 의해 원자 궤도부터 전자를 방출 시킬 수 있다.
광자의 에너지는 전자가 원자의 핵에 묶여 있는 에너지 보다 더 커야 한다. 내부 궤도
전자가 원자로부터 방출 되었을 때 높은 에너지 준위에 있는 전자는 낮은 에너지 준위의
궤도로 이동된다. 이 전이 동안에 광자가 원자로 방출된다. 이 형광빛을 원소의 특선 X-
선이라고 한다. 방출된 광자의 에너지는 전이를 하는 원자에 점유되었던 두 궤도 사이의
에너지 차와 같다. 주어진 특정 원소의 두 궤도껍질의 에너지 차이는 항상 일정하므로 ,
전자가 두 준위 사이를 움직일 때 방출하는 광자는 항상 같은 에너지를 가질것이다.
그러므로 어는 특정 원소의 X-선 광자의 에너지(혹은 파장)을 결정함으로써 미지의 원소가
어떤 원소인지 결정할 수 있다.




For a particular energy (wavelength) of fluorescent light emitted by an element, the number of
photons per unit time (generally referred to as peak intensity or count rate) is related to the
amount of that analyte in the sample. The counting rates for all detectable elements within a
sample are usually calculated by counting, for a set amount of time, the number of photons that
are detected for the various analytes’ characteristic X-ray energy lines. It is important to note
that these fluorescent lines are actually observed as peaks with a semi-Gaussian distribution
because of the imperfect resolution of modern detector technology. Therefore, by determining
the energy of the X-ray peaks in a sample’s spectrum, and by calculating the count rate of the
various elemental peaks, it is possible to qualitatively establish the elemental composition of the
samples and to quantitatively measure the concentration of these elements.


어느 원소에 의해 방출된 형광빛의 특정 에너지 (혹은 파장)에 대해 단위 시간당 광자의 수
(일반적으로 피크 강도(peak intensity) 혹은 계수율(count rate) 라 한다)는                            시편의 분석물의
양과 관련이 있다. 시편 내에 모든 검출할 수 있는 원소의 계수율은 주어진 시간에 여러
분석물의 특성 X-선 에너지 선에 대해 검출되는 광수의 수를 계수함으로써 계산 되어질 수
있다.     이들 형광선들은 현대의 검출 기술의 불완전한 분해능 때문에 실제로 반 Gaussian
분포를 갖는 피크형태로 관찰되어 진다. 그러므로 시편 스펙트럼에서 X-선 피크들의
에너지를 결정하고 여러 원소들의 피크의 계수율을 계산함으로써, 정성적으로 시편의 원소
조성을 결정할 수 있을 뿐만 아니라 정량적으로 이들 원소의 농도를 측정할 수 있다.




에너지 분산 X-선 형광 분광법(Energy Dispersive

X-ray Fluorescence Spectroscopy, EDXRF or EDS)
                Introduction
Energy dispersive x-ray fluorescence (EDXRF) relies on the detector and detector electronics to
resolve spectral peaks due to different energy x-rays. It wasn't until the 1960's and early 1970's
that electronics had developed to the point that high-resolution detectors, like lithium drifted
silicon, Si(Li), could be made and installed in commercial devices. Computers were also a
necessity for the success of EDXRF even if they where often as large as the instrument itself.


서론


에너지 분산 X-선 형광 분광법은 검출기와 다른 에너지의 X-선의 의한 분광피크들은
분해하는 검출기 전자장비로 구성되어 있다. 1970 년대에 이르러서야 리튬 유동 실리콘,
Si(Li),이 개발되고 상업적인 장비로 장착되었다.


Hardware
EDXRF is relatively simple and inexpensive compared to other techniques. It requires and x-ray
source, which in most laboratory instruments is a 50 to 60 kV 50-300 W x-ray tube. Lower cost
benchtop or handheld models may use radioisotopes such as Fe-55, Cd-109, Cm-244, Am-241
of Co-57 or a small x-ray tube. The second major component is the detector, which must be
designed to produce electrical pulses that vary with the energy of the incident x-rays. Most
laboratory EDXRF instruments still use liquid nitrogen or Peltier cooled Si(Li) detectors, while
benchtop instruments usually have proportional counters, or newer Peltier cooled PIN diode
detectors, but historically sodium iodide (NaI) detectors were common. Some handheld device
use other detectors such as mercuric Iodide, CdTe, and CdZnTe in addition to PIN diode
devices depending largely on the x-ray energy of the elements of interest. The most recent and
fastest growing detector technology is the Peltier cooled silicon drift detector (SDD), which are
available in some laboratory grade EDXRF instruments.


EDS 는 상대적으로 다른 기술에 비해 단순하고 저렴하다. EDS 는 50~60kV 50~300W
범위의 X-선과의 X-선 소스를                 필요로 한다. 저비용 휴대용 모델은 소형 X-선관 이나 Fe-55,
Cd-109, Cm-244, Am-241 혹은 Co-57 같은 방사성 동위원소를 X-선 소스로 사용한다. 그
다음으로 중요한 부분은 검출기인데, 이는 입사 X-선의 에너지에 따라 변하는                                              전기 펄스를
만들어 내도록 설계되어야 한다.                     대부분의 실험실에 있는 EDS 장비는 액체 질소나 Peltier
냉각     Si(Li)    검출기를          여전히    사용하고        있다.      반면에       휴대용       기기는       대개        비례
계수기(proportional counter)나 혹은 Peltier 냉각 PIN 다이오드 검출기를 사용한다. 하지만
역사적으로 요오드화 나트륨(Sodium Iodide) 검출기가 일반적이다. 몇몇 휴대용 장비는
관심을 갖는 원소들의 X-선 에너지에 의존해서 PIN 다이오드외에                                           요오드화 수은(HgI),
텔르루화 카드뮴(CdTe)과 텔르루화 카드뮴 아연(CdZnTe) 같은 다른 검출기등도 사용한다.
가장 최신에 빠르게 성장하고 있는 검출기 기술은 Peltier 냉각 실리콘 표류 검출기(SDD)로
몇몇 실험실에서 쓰이고 있는 EDS 기기이다.


After the source and detector the next critical component are the x-ray tube filters, which are
available in most EDXRF instrument. There function is to absorb transmit some energies of
source x-rays more than other in order to reduce the counts in the region of interest while
producing a peak that is well suited to exciting the elements of interest. Secondary targets are
an alternative to filters. A secondary target material is excited by the primary x-rays from the x-
ray tube, and then emits secondary x-rays that are characteristic of the elemental composition
of the target. Where applicable secondary targets yield lower background and better excitation
than filter but require approximate 100 times more primary x-ray intensity. One specialized form
of secondary targets is polarizing targets. Polarizing XRF takes advantage of the principle that
when x-rays are scattered off a surface they a partially polarized. The target and sample are
place on orthogonal axis' to further minimize the scatter and hence the background at the
detector.


소스와 검출기 다음으로 중요한 부분은 대부분의 EDS 기기에서 사용되고 있는 x-선
필터이다. 그들의 기능은 원하는 원소를 여기 시키기에 적합한 피크를 만들어 내면서 관심
있는 영역에서의            계수를 줄이기 위해 X-선 소스에서 투과하는 에너지를 흡수하는 것이다.
두번째 타겟은 필터에 대한 선택적으로 쓰일수 있다.                                두번째 타겟 물질은 X-선관 으로부터
온 1 차 X-선에 의해 여기 되며, 이때 타겟 물질의 원소 조성의 특성인 2 차 X-선을
방출한다. 여기서 적용할 수 있는 2 차 타겟은 낮은 배경선을 제공하고 필터 보다 여기를
잘 시키며 1 차 X-선 보다 100 배 이상의 강도를 요구한다.                              편극된 XRF 는 X-선이 표면을
산란하여 벗어 날 때 부분적으로 편광 되는 원리의 잇점을 이용한다. 타겟과 시편은 산란을
더 축소 시키고 그럼으로서 검출기의 배경선을 축소 하도록 직교축에 놓인다.


Fixed or movable detector filters, which take advantage of non-dispersive XRF principles, are
sometimes added to EDXRF devices to further improve the instruments effective resolution or
sensitivity forming a hybrid EDX/NDX device.


비분산 XRF 원리를 이용하는 고정되거나 움직일 수 있는 검출기 필터는 때때로 혼성
EDX/NDX 장치를 형성하는 기기의 유효 분해능 혹은 감도를 개선하기 위해 EDXRF 장치에
추가된다.


Applications
EDXRF can be used for a tremendous variety of elemental analysis applications. It can be used
to measure virtually every element form Na to Pu in the periodic table, in concentrations ranging
from a few ppm to nearly 100 percent. It can be used for monitoring major components in a
product or process or the addition of minor additive. Because XRF's popularity in the geological
field, EDXRF instruments are often used alongside WDXRF instruments for measuring major
and minor components in geological sample.


응용


EDXRF 는 엄청나게 많은 숫자의 원소분석 응용에 사용될 수 있다. 실질적으로 주기율표에
있는 Na 에서 Pu 까지의 모든 원소를 몇 ppm 에서 100 percent                          범위의 농도를 측정하는데
사용될 수 있다.         또한 이 장비는 제품과 공정의 주된 성분이나 소량의 첨가성분의 상태를
확인하는데 사용될 수 있다. XRF 의 명성은 지질학 연구에서 비롯되었으므로 EDXRF
기기는 WDXRF 기기와 더불어 지질학 시편의 주된 성분과 소량 성분을 측정하는데
사용된다.




Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence

Introduction
Wavelength dispersive x-ray fluorescence (WDXRF) is the old timer among
commercial x-ray spectrometers, since the method works without high-
resolution solid-state detectors. Instead, WDXRF instruments rely on diffractive
optics to give them high spectral resolution. WDX spectrometers with simple
electronic counting circuits were around well before the computer age, and are
still the workhouse and leading performer for routine XRF analysis. back to top

서론

파장 분산형 X-선 형광법은 분석법이 고-분해능 고상 검출기 없이 작동하므로
상업적인 X-선 분광계중에서도 가장 오래되었다. 대신에 WDXRF 기기는 높은
분광 분해능을 얻기 위해 회절광학에 의존한다. 단순한 전자 계수 회로를
갖는 WDS 분광계는 컴퓨터 시대 이전에 잘 사용되어질 수 있었고, 아직도
일반적 XRF 분석에 잘 사용되고 있다.
Hardware
WDXRF can be relatively simple and inexpensive, or complex and very
expensive depending on the number of optical components. WDX instruments
use a x-ray tube source to directly excite the sample. Because the overall
efficiency of the WDXRF system is low, x-ray tubes in larger systems are
normally rated at 1-4 kilowatts. There are some specialized low power systems
that operate at 50 to 200 watts. A diffraction device, usually a crystal or
multilayer, is positioned to diffract x-rays from the sample toward the detector.
Diffracted wavelengths are those that satisfy the 2dnsin ? relationship, where d
is the atomic spacing within the crystal, n is an integer, and theta is the angle
between the sample and detector. Other wavelengths are scattered very
inefficiently.

장비

WDXRF 는 상대적으로 단순하고 가격이 저렴하지만, 복잡한 광학부품을
이용함으로서 아주 복잡하고 비싸질 수 있다. WDX 기기는 시편을 직접
여기시키기 위해 X-선관을 이용한다. WDXRF 시스템의 총괄 효율은
낮으므로, 큰 시스템에서 X-선관은 보통 1~4kilowatts 이다. 특별히
50~200watts 의 낮은 전력에서 작동하는 시스템도 있다. 결정 혹은
다층으로 된 회절 장치는 시편으로부터 검출기를 향해 X-선을 회절시키도록
위치하고 있다. 회절된 파장은 Bragg 법칙(n=2dsin)을 만족한다. 여기서
d 는 결정내 격자 상수, n 은 정수이고 는 시편과 검출기사이의 각도이다.
다른 파장들은 매우 비효율적으로 산란한다.

 Collimators are normally used to limit the angular spread of x-rays, to further
improve the effective resolution of the WDX system. Because the detector is not
relied on for the systems resolution it can be a proportional counter or other low-
resolution counter capable of detecting a million or more counts per second.

All the components can be fixed to form a fixed single WDX channel that is ideal
for analyzing a single element. A simultaneous WDX analyzer will have a
number of fixed single channels usually formed in a circle around the sample
with the x-ray tube facing upward in the middle. Other WDX analyzers use a
goniometer to allow the angle (?) to be changed, so that one element after
another may be measured in sequence. This type of instrument is a sequential
WDX analyzer. There are also combined sequential/simultaneous instruments
as well.

시준기(collimator)는 대개 WDX 시스템의 유효 분해능을 개선하기 위해 X-
선이 여러 각도로 퍼져 나가는 것을 제한하는데 사용된다. 검출기는
시스템의 분해능에 의존하지 않으므로, 검출기는 초당 백만이상의 계수를
검출할 수 있는 비례계수기나 다른 저-분해능 계수기이다.

모든 성분들은 단일 성분을 분석하기 위해 고정된 단일 WDX 채널을 구성할
수 있도록 고정된다. 동시에 여러 개가 작동하는 WDX 분석기는 중간에
위로 향하는 X-선관과 함께 시편 주위 원주에 형성된 많은 고정된 단일
채널을 가질 수 있다. 다른 WDX 분석기는 한 원소를 측정한 후 연속적으로
다른 원소를 측정할 수 있도록 각도가 변하게 할 수 있는
측각기(goniometer)를 사용한다. 이런 형태의 기기는 순차(sequential)
WDX 분석기라고 부른다. 순차와 연속 기기가 결함된 시스템도 있다.

Applications
WDXRF can be used for a tremendous variety of elemental analysis
applications. It can be used to measure virtually every element form Na to Pu in
the periodic table, and some instruments can be used for quantitative or semi-
quantitative work for even lighter elements. It can measure elemental
concentrations ranging from a few ppm to nearly 100 percent. It can be used for
monitoring major components in a product or process or the addition of minor
additives. WDXRF is extremely popular in the geological field and is often used
for measuring raw minerals, and finished products composed of minerals.

응용

WDXRF 는 매우 많은 수의 원소 분석 응용에 사용될 수 있다. 이 기기는
실질적으로 주기율표에서 Na 에서 Pu 까지의 모든 원소를 측정하는데
사용될 수 있다. 어떤 기기는 매우 가벼운 원소에 대해 정량적이고 반-
정량적인 분석에 사용될 수도 있다. 수 ppm 에서 100 percent 범위의 원소
농도를 측정할 수 있으며, 제품과 공정의 주된 성분과 미소량의 첨가 성분의
농도의 상태를 확인할 수 있다. WDXRF 는 지질학 분야에 천연 물질과
광물로 이루어진 최종 제품의 측정하는데 많이 사용된다.

Advantages and Disadvantages of EDX and WDX
EDX 와 WDX 의 비교

In an effort to save money, space, sample preperation time, or simply to
add an analytical instrument to their process many companies will decide
to evaluate energy dispersive x-ray fluorescence (EDXRF) analyzers as a
substitute for their standard wavelength dispersive x-ray fluorescence
(WDXRF) analysis. This is very common with geological applications where
WDX is the benchmark, but it occurs with many other applications as well.
What all these companies eventually discover is that EDXRF is not the low
cost drop in replacement that they thought it would be but has significant
differences, some positive and some negative, that must be considered in
the evaluation process or else dealt with later when it may be less
convenient.

돈, 공간과시편 준비 시간을 줄이거나 혹은 공정에 단순한 분석장치를
부착하고자 한다면, 많은 회사들은 그들이 이미 사용하는 표준 파장 분산
X-선 형광 분광계 의 대체장비로서 에너지 분산 X-선 형광 분광법의 사용
가능성을 평가하고자 할 수 있다. 이는 WDX 의 경우에서 보듯이 지질학
응용에서 매우 일반적인 경우로 다른 많은 응용에서 있을 수 있다. 이들
회사들이 결국 파악하게 되는 사실은 EDXRF 가 그들이 생각했던 것 만큼
큰 비용이 절감 되는 것은 아니다라는 사실이고 평가해야 할 사항 될 큰
차이는 다른 점에 있는데, 어떤 것은 긍정적이고 어떤 점은 부정적이다.

More than just the backwards spectra
As most scientifically minded persons know, the energy of the light photon
increases as the wavelength decreases, so in an EDX spectra the low
atomic number elements are on the left while they are to the right of a WDX
spectra. But the difference goes far beyond that.

대분분의 과학적인 마음을 가진 사람이 알듯이, 광자의 에너지는 파장이
감소함에 따라 증가한다. 그러므로 EDX 스펙트럼에서 낮은 원자 번호의
원소는 왼쪽에 위치하고, WDX 에서는 오른쪽에 위치한다. 하지만 그들의
차이는 그보다 훨씬 넘어선다

WDXRF
The WDXRF analyzer uses a x-ray source to excite a sample. X-rays that
have wavelengths that are characteristic to the elements within the sample
are emmitted and they along with scattered source x-rays go in all
directions. A crystal or other diffraction device is placed in the way of the
x-rays coming off the sample. A x-ray detector is position where it can
detector the x-rays that are diffracted and scattered off the crystal.
Depending on the spacing between the atoms of the crystal lattice
(diffractive device) and its angle in relation to the sample and detector,
specific wavelengths directed at the detector can be controlled. The angle
can be changed in order to measure elements sequentially, or multiple
crystals and detectors may be arrayed around a sample for simultaneous
analysis.

WDXRF 분석기는 시편을 여기 시키기 위해 X-선 소스를 이용한다. 시편내 원소의 특성
파장을 갖는 X-선이 방출되고 산란된 X-선 소스와 함께 모든 방향으로 퍼져 나간다.
결정이나 다른 회절 장치는 시편으로부터 나오는 X-선의 경로상에 놓인다. X-선 검출기는
결정에서 회절되고 산란되는 X-선을 검출할 수 있는 곳에 위치한다. 결정 격자내 원자
사이의 격자와 시편과 검출기와 각도에 의존하여 검출기에 향해있는 파장들이 제어된다.
각도는 연속적으로 원소를 측정할 수 있도록 변화될 수 있고, 또는 다중 결정이나 검출기들은
연속적인 분석을 위해 시편 주위에 배열될 수 있다.


EDXRF
The EDXRF analyzer also uses an x-ray source to excite the sample but it
may be configured in one of two ways. The first way is direct excitation
where the x-ray beam is pointed directly at the sample. Filter made of
various elements may be placed between the source and sample to
increase the excitation of the element of interest or reduce the background
in the region of interest. The second way uses a secondary target, where
the source points at the target, the target element is excited and fluoresces,
and then the target fluorescence is used to excite the sample. A detector
is positioned to measure the fluorescent and scattered x-rays from the
sample and a multichannel analyzer and software assigns each detector
pulse an energy value thus producing a spectrum. Note that there is
absolutely no reason why the spectra cannot be displayed in a wavelength
dependant graph format.



EDXRF
EDXRF 분석기도 또한 시편을 여기시키기 위해 X-선 소스를 사용하는데
두가지 방법중 하나로 배열된다. 첫번째 방법은 X-선 빔이 시편에 직접
향하는 직접여기이다. 다향한 원소로 만들어진 필터는 관심되는 원소의
여기를 증가시키거나 관심 지역의 배경선을 감소시키도록 소스와 시편
사이에 놓여진다. 두번째 방법은 2 차 타겟을 이용한다. 여기서 소스는
타겟을 향하고, 타겟의 원소는 여기되고 형광선을 발생한다. 이때 타겟
형광은 시편을 여기하도록 사용된다. 검출기는 시편으로부터 형광 및 산란된
X-선을 측정하도록 위치하며, 다중채널 분석기와 소프트웨어는 각각 검출기
펄스를 할당하고 각 에너지 값은 스펙트럼을 발생한다. 왜 스펙트럼이
그래프 형태에 의존하는 파장으로 표현될 수 없는지에 대한 절대적인
이유는 없다는 점에 주의해야 한다.



Points of Comparison


1. Resolution: It describes the width of the spectra peaks. The lower the
resolution number the more easily an elemental line is distinguished from
other nearby x-ray line intensities.
a. The resolution of the WDX system is dependant on the crystal and
optics design, particularly collimation, spacing and positonal reproducibilty.
The effective resolution of a WDX system may vary from 20 eV in an
inexpensive benchtop to 5 eV or less in a laboratory instrument. The
resolution is not detector dependant.
b. The resolution of the EDX system is dependent on the resolution of the
detector. This can vary from 150 eV or less for a liquid nitrogen cooled
Si(Li) detector, 150-220 eV for various solid state detectors, or 600 eV or
more for gas filled proportional counter.



비교되는 점들


1. 분해능 : 스펙트럼 피크의 폭을 나타낸다. 분해능의 숫자가 낮을수록 원소선들이 다른
근처의 X-선 강도로부터 쉽게 구분된다.


a) WDX 시스템의 분해능은 결정과 광학 설계, 특히 시준, 간격과 위치 재현성에 의존한다.
WDX 시스템의 유효 분해능은 저렴한 휴대용에서의 20eV 로부터 실험실 장비의 5eV 이하의
값까지 다양하다.
b) EDX 시스템의 분해능은 검출기의 분해능에 의존한다. 이는 액체 질소 냉각 Si(Li)
검출기의 150eV 이하에서 다양한 고체 상태 검출기의 150~220eV 까지 다양하며, 어떤
경우는 기체충전 비례계수기의 경우와 같이 600eV 인 경우도 있다.




ADVANTAGE WDXRF – High resolution means fewer spectral overlaps and
lower background intensities.
ADVANTAGE EDXRF – WDX crystal and optics are expensive, and are one
more failure mode.



WDXRF 의 잇점-고분해능의 의미는 스펙트럼이 거의 중첩되지 않고 배경선의 강도도 매우
낮은 경우를 말한다.


EDXRF 의 잇점 - WDX 결정과 광학장비는 고가이다




2. Spectral Overlaps: Spectral deconvolutions are necessary for
determining net intensities when two spectral lines overlap because the
resolution is too high for them to be measured indepedantly.
a. With a WDX instrument with very high resolution (low number of eV)
spectral overlap corrections are not required for a vast majority of elements
and applications. The gross intensities for each element can be
determined in a single acquisition.
b. The EDXRF analyzer is designed to detect a group of eleemnts all at
once. The some type of deconvolution method must be used to correct for
spectral overlaps. Overlaps are less of a problem with 150+ eV resolution
systems, but are significant when compared to WDXRF. Spectral overlaps
become more problematic at lower resolutions.

2, 스펙트럼 중첩: 중첩된 스펙트럼의 분해(deconvolution)는 두 스펙트럼 선이 중첩할 때
순(net) 강도를 결정하는데 필요하다. 왜냐하면 분해능이 독립적으로 측정되기에는
지나치게 높기 때문이다.


a) 매우 높은 분해능을 갖는 WDS 기기(낮은 수의 eV)에 대해서는 매우 많은 원소들과
응용에 대해 스펙트럼 중첩의 수정이 필요하지 않다. 각원소에 대한 총 강도(gross
intensities)는 한번의 조작으로 얻을 수 있다.
b) EDXRF 분석기는 원소 그룹을 한번에 검출하도록 설계되어 있다. 분해 방법의 어떤
형태는 스펙트럼 중첩을 수정하기 위해 사용되어야만 한다. 중첩은 150eV 분해능을 갖는
기기에는 별로 문제가 되지 않으나 WDXRF 와 비교할 때 현저한 문제가 된다. 스펙트럼
중첩은 낮은 분해능에서 더더욱 문제가 된다.




ADVANTAGE WDXRF – Spectral deconvolution routines introduce error due
to counting statistics for every overlap correction onto every other element
being corrected for. This can double or triple the error.

WDXRF 장점 – 스펙트럼 분해 루틴은 수정되어야 할 다른 모든 원소에 대한 모든 중첩의
보정을 위한 계수 통계에 기인한 오차를 도입한다. 이는 오차를 2 배나 3 배로 할 수 있다.


3. Background: The background radiation is one limiting factor for
determining detection limits, repeatability, and reproducibilty.
a. Since a WDX instrument usually uses direct radiation flux the
background in the region of interest is directly related to the amount of
continuum radiation within the region of interest the width of which is
determined by the resolution.
b. The EDXRF instrument uses filters and/or targets to reduce the amount
of continuum radiation in the region of interest which is also resolution
dependant, while producing a higher intensity x-ray peak to excite the
element of interest.

3. 배경선: 배경 복사는 검출 한계, 반복성 및 재현성을 결정하기 위한 제한 인자이다.


a) WDX 기기는 대개 직접적인 복사 플럭스를 사용하므로, 관심영역의 배경은 관심영역
내의 연속체 복사의 양과 직접적으로 연관된다. 그폭은 분해능에 의해 결정된다.


b) EDXRF 기기는 분해능에 의존하는 반면 관심 원소를 여기시키기 위해 높은 강도의 X-선
피크를 만들어 내는 관심영역의 연속체 복사의 양을 줄이기 위해 필터와 타겟을 사용한다.


Even - WDX has an advantage due to resolution. If a peak is one tenth as
wide it has one tenth the background.
EDX counters with filters and targets that can reduce the background
intensities by a factor of ten or more.
4. Source Efficiency: How efficiently the source x-rays are utilized
determines how much power is needed to make the system work optimally.
Higher power costs much more money.
a. Every time an x-ray beam is scattered off a surface the intensity is
reduced by a factor of 100 or so. For any XRF system intensity is lost in
the process of exciting the sample, but a WDX analyzer also looses a
factor of 100 in intensity at the diffraction device, although some modern
multilayers are more efficient. The sample to detector path length is often
10 cm or more introducing huge geometrical losses.

4. 소스 효율


X-선 소스가 얼마나 효율적으로 이용되었는가 하는점은 시스템을 최적으로 작동하기 위해
얼마나 많은 전력이 필요한가를 결정하게 한다. 더 높은 전력은 더 많은 비용을 들게 한다.


a) X-선 빔이 표면에서 산란되어 나올 때마다 그 강도는 100 배 이상 감소 된다. 어떤 XRF
시스템에 대해 강도는 시편을 여기 시키는 과정에서 감소된다. WDX 분석기의 경우에는
현대의 몇몇 다층 장비는 더 효율적일지라도 회절장치에서도 100 배 이상 강도가 줄어든다.
시편에서 검출기까지의 경로 길이도 10cm 이상으로 많은 기하학적 손실을 가져온다.




b. With direct excitation the EDX system avoids wasting x-ray intensity.
When filters are used the 3 to 10 times more energy is required, and when
secondary targets are used 100 times more energy is required making the
total energy budget simlar between Seconday target EDX and WDX
systems before the path length is considered. An EDX system typically has
sample to detector path lengths less than 1 cm.

EDX 시스템은 직접적인 여기방법으로 X-선 강도의 손실을 피한다. 필터가 사용되면 3 에서
10 배의 에너지가 더 필요하고, 두번째 타겟이 사용되면 2 차 타겟 EDX 나 WDX 시스템
사이에 유사한 총에너지를 유지하기 위해 경로 길이를 고려하지 않더라도 100 배 이상의
에너지가 필요하다. EDX 시스템은 전형적으로 시편에서 검출기까지의 경로 길이가
1cm 보다 작다.


ADVANTAGE EDXRF – In order to achieve similar counts at the detector a
WDX system needs 100-1000 times the flux of a direct excitation EDX
system and 10-100 times the flux of a secondary target system. This one
proinciple reason WDX systems cost more.

EDXRF 의 장점- WDX 검출기에서 EDX 와 유사한 계수를 얻기 위해서, WDX 시스템은 직접
여기 방식의 EDX 플럭스의 100~1000 배 정도 높은 강도가 필요하다. 이것이 본질적으로
WDX 시스템이 값비싼 이유이다.


5. Excitation Efficiency : Usually expressed in PPM per count-per-second
(cps) or similar units, this is the other main factor for determining detection
limits, repeatability, and reproducibility. The relative excitation efficiency is
improved by having more source x-rays closer to but above the absorption
edge energy for the element of interest.
a. WDXRF generally uses direct unaltered x-ray excitation, which contains
a continuum of energies with most of them not optimal for exciting the
element of interest.

5. 여기 효율 (excitation efficiency)


보통 PPM 으로(???), count per second (cps) 혹은 유사한 단위로 표현되는, 이것은 검출
한계, 반복성 및 재현성을 결정하기 위한 다른 주된 인자이다. 상대 여기 효율은 관심
원소에 대한 흡수단 에너지 이상에 가까운 더 많은 X-선 소스에 의해 개선 될 수 있다.


a) WDXRF 는 일반적으로 직접적인 X-선 여기 방법을 사용하는데, 이 방법은 관심 원소를
여기 하기 위한 최적이 아닌 에너지 연속체를 포함한다.
b. EDXRF analyzers may use filter to reduce the continuum energies at the
elemental lines, and effectively increaseing the percentage of x-rays above
the element absorption edge. Filters may also be used to give a filter
fluorescence line immediately above the absorption edge, to further
improve excitation efficiency. Secondary targets provide an almost
monochromatic line source that can be optimized for the element of
interest to achieve optimal excitation efficiency.

b) EDXRF 분석기는 원소선에서 연속 에너지를 줄이고 원소의 흡수단
이상인 X-선의 백분율을 증가시키기 위해 필터를 사용한다. 또한 필터는
여기 효율을 더 증가 시키기 위해 흡수단 바로 위의 형광선을 거르기 위해
사용된다. 이차 타겟은 최적 여기 효율을 제공하기 위해여 관심 원소에 대해
최적화된 거의 단색선 소스를 제공한다
Electron Microprobe Analysis (-XRF or EDS)

전자 현미경 분석 (-XRF)

Introduction
Micro x-ray fluorescence (µXRF) gets its name because these instruments are
designed to analyze very small spot sizes. They are fundamentally like EDXRF
systems, and have seen a similar development path through the years. There
are a number of differences between µXRF and EDXRF to make it worthwhile
to classify them separately.

서론


마이크로 X-선 형광법은 매우 작은 지점을 분석하기 위해 고안된 장비이다. 이장비는
기본적으로 EDXRF 시스템이고 몇 년간 비슷한 개발 경로를 거쳐 왔다. 하지만 -XRF 와
EDXRF 를 구분해야 할 여러가지 차이가 있다.




Hardware
The typical µXRF system has the usual EDX hardware, but has several key
differences, most notably, downward facing optics. Special x-ray tubes are used
with a smaller spot size on the target, so that there is less beam spread after
collimation. Usually direct incident radiation is used, because filters tend to
make the x-ray pattern broader. Systems usually have several collimators
ranging from 12 microns to a millimeter or more, and can automatically switch
between them. Polycapillary optics that focus the x-rays are becoming

장비


전형적인 -XRF 시스템은 대개 EDX 장비들과 같다. 하지만 몇가지 중요한 차이점이 있는데
뚜렷한 점으로 광학장치기 아래로 향해 있다. 특별한 X-선 튜브가 시준 이후에 덜 퍼지도록
타겟의 작은 지점에 대해 사용된다. 필터는 X-선 패턴을 넓게 하므로 보통 직접-입사
복사가 사용된다. 시스템은 보통 12 마크론에서 밀리미터 범위의 몇 개의 시준기를 갖는데,
자동적으로 그들 사이에서 이동할 수 있다. X-선의 초점을 맞추는 Polycapillary 광학장비가
점점 증가하고 있으며, 이 장비는 구멍 시준기를 통해 일반적인 경우보다 더 높은 X-선
플럭스 속도에서 50~200 micron 영역의 spot 크기를 만들어 낼 수 있다.


increasing common in high end systems, and they are capable of producing
spot sizes in the 50-200 micron range at much higher x-ray flux rates than with
an ordinary through hole collimator. Samples are normally presented on a
movable XYZ stage that can be manually operated in some low cost systems,
or automatic and programmable in higher end system. The most sophisticated
µXRF analyzers can even raster the sample producing a dot map of the surface.
Cameras and lasers are typical devices used to aid in sample positioning. The
detectors can vary from proportional counters in the low end systems to PIN
diodes, Si(Li), or SDD detectors in higher end systems. There is even a µXRF
system that uses WDX optics.

시편은 보통 어떤 낮은 비용의 시스템에서 수동으로 조작되거나 첨단 장비에서 프로그램에
의해 자동으로 움직일 수 있는 XYZ 스테이지에서 장착 된다. 가장 복잡한 -XRF 분석기는
표면의 dot map 를 만들어 낼 수 있을 정도로 미세하게 시편을 주사할 수 있다. 카메라와
레이저는 시편의 위치를 정하는데 도움을 주는 전형적인 장치이다. 검출기는 낮은 첨단
시스템에서의 비례계수기로부터 고등 첨단 시스템에서의 PIN 다이오드, Si(Li) 혹은 SDD
검출기 등이 다양하게 쓰일 수 있다. WDS 광학장치를 사용하는 -XRF 시스템도 있다.


Applications
The biggest application by far is plating analysis, particularly for analyzing
printed circuit boards. Literally thousands of instruments have been sold into
this application, primarily for analyzing copper, gold, and tin-lead solder. But
there are numerous other applications, and more sophisticated plating analysis
systems can measure several layers at once.

High-end µXRF systems are normally sold into forensic, fine art, and
archeological applications. These systems can do an excellent job of elemental
fingerprinting to either match evidence taken from a crime scene or match
materials from a painting or other work of art with known authentic materials.

응용


훨씬 크나큰 응용은 특히 PCB(printed circuit boards)와 같은 도금 분석(plating analysis)이다.
사실 수많은 기기들이 구리, 금 및 주석-납 땜납의 분석을 위한 이러한 응용을 위해 판매
되었다. 하지만 수많은 다른 응용이 있는데, 더 복잡한 도금 분석 시스템을 한번에 여러
층을 측정할 수 있다. 최첨단 -XRF 시스템은 보통 과학수사(forensic), 정밀 예술(fine art)
와 고고학 분야에 응용되고 있다. 이들 시스템은 범죄 현장으로부터 취해진 증거와 원소의
지문을 확인하거나 진품으로 알려진 예술 작품이나 그림으로부터 물질을 확인하는 작업에서
눈부신 역할을 하고 있다.




Nondispersive X-Ray Fluorescence (NDXRF)

비분산 X-선 형광법

Introduction

서론

Non-dispersive x-ray fluorescence (NDXRF) got its start in the 1920's when
Ross and other experimenters discovered that they could isolate an x-ray line
for an element by using two filters made of different elements over two
detectors. One filter absorbs the elements x-rays, while the other transmits
them. The difference in counts between the two matched detectors with
balanced filters is the net intensity and is related to that elements concentration.
When combined with earlier work that demonstrated that elements could be
measured by measuring total x-ray intensities from some simple samples, a
new and powerful method was born. Unfortunately it was almost 50 years later
when small microprocessor based analyzers were built in the 1970's that
NDXRF started to make a commercial impact.

비분산 X-선 형광법은 1920 년대에 Ross 와 다른 실험가들이 두 검출기를
거쳐 다른 원소로 만들어진 두 필터를 사용해서 원소에 대한 X-선을 분리할
수 있다는 사실을 발견하고 나서야 시작되었다. 한 필터는 원소 X-선을
흡수하고 다른 필터는 그것을 전송한다.

Hardware

NDXRF has the least expensive hardware of any of the XRF methods, because
it only requires a few low costs components. It needs an x-ray source, usually
either a radioisotope such as Fe-55, Cd-109, Cm-244, Am-241 of Co-57, or a
small x-ray tube. And it requires a detector such as an ionization chamber or
Geiger-Mueller Counter, which does not need to be energy dispersive. While
Ross used two detectors, the more common approach is to use a single
detector and use a filter wheel or tray to position the filters over the detector in
sequence. In addition to the Ross method a single filter (Hull Method) or no filter
at all may be used to measure some elements.

In commercial devices it is most common to see a proportional counter used as
the detector since it is a low resolution EDXRF detector. The advantage of a
proportional counter is that it can be configured to not count the backscattered
source x-rays making the overall background counts substantially lower. At the
same time a proportional counter instrument may be used for EDXRF analysis,
making it a hybrid EDX/NDX instrument. With x-ray tube source devices, x-ray
tube filters may be used in combination with specially selected target anodes to
produce optimal sources for exciting the elements in a sample. The non-
dispersive XRF method is very powerful, and cases where an appropriate filter
pair exists and can successful isolate an elements wavelength it is often
possible to match the performance of a WDX analyzer at a tenth the cost using
100 times less source intensity. back to top

Example Application

One of the most common applications is measuring phosphorus, sulfur and chlorine in oil.
Generally either a Fe-55 radioisotope, or an x-ray tube with either a Pd, Ag, or Ti target is used
to excite those elements. By looking at the absorption edges for various materials it is easily
seen that chlorine has an absorption edge above chlorine in energy, sulfur has and absorption
edge between chlorine and sulfur, and phosphorus has an absorption edge between sulfur and
phosphorus. X-rays do not readily excite hydrogen and carbon in the base matrix and the
detector windows readily absorb their x-rays, and so they aren't measured.


In this case chlorine can be measured by using chlorine as a transmitting filter
and sulfur as an absorbing filter. The difference between the counts of x-rays off
the oil sample and through the filter correlates to the chlorine concentration. The
filers are electronically balanced by measuring the intensity on a blank and
introducing a coefficient that when multiplied by one intensity yields zero net
count. Similarly a sulfur and phosphorus pair of filters can be used to measure
sulfur. A single filter can be used to measure phosphorus since there are
usually no measurable elements below phosphorus that would produce counts.

The matter is confused somewhat because it is difficult to produce good sulfur
and phosphorus filters, so usually an element with an L absorption edge at the
appropriate energy is used instead, Mo or Nb for S, and Zr for P. Since the
heavy metals are denser the filters are usually much thinner than their K
absorption edge counterparts. back to top


Total Reflection X-Ray Fluorescence (TXRF)

         Introduction
         Hardware
         Advantages and Disadvantages


Introduction
Total Reflection x-ray fluorescence (TXRF) and the fundamentally related
Grazing emission x-ray fluorescence (GEXRF) rely on scatter properties near
and below the Bragg angle to reduce background intensities and improve
detections limits an order of magnitude or more over more traditional XRF
instruments. If light is directed at a smooth surface at a very small angle
(typically less than 0.5 degree for x-rays) virtually 100% of the light will be
reflected at an equally small angle. This is the same principle relied on for
polycapillary optics. A few x-rays will excite atoms immediately at the surface,
and those atoms emit their characteristic radiation in all directions. Because
there is virtually no backscatter into the detector, extraordinary detections limits
can be achieve.

GEXRF turns the theory around and takes advantage of the fact that when x-
rays are directed at a surface they will not be scattered at an angle below the
Bragg angle. A detector that only detects x-rays coming off a surface at an
angle less than the Bragg angle, will only detect fluorescence x-rays and not
background scatter.
back to top
Hardware
TXRF instruments are usually very sophisticated and expensive pieces of
equipment with finely tuned optics. The x-ray tubes are usually very high in
power, several kilowatts, and must have a small spot size on the anode. A long
collimator or wave-guide is needed to restrict the angle to less than the Bragg
angle. Using multilayers in the wave-guide can improve the efficiency. The
sample needs to be finely and reproducibly polished and positioned precisely
with respect to angle and height. A detector is positioned above the surface.
Given the sophistication of these systems, Si(Li) or other high resolution
detectors are used in most systems.

Some people prefer the GEXRF variation. The x-ray tube can be directed at the
sample with little regard to spot size or angle. This saves on a lot of hardware
expense. A detector and collimator assembly is positioned so that only x-rays
coming from less than the Bragg angle are counted. back to top

Advantages and Disadvantages
While these techniques can achieve amazing performance, they are seldom
used. The principle problems are that only a few products are suitable for TXRF
analysis without a substantial amount of sample preparation. The other problem
is that the optical alignment is so critical that minor vibrations and temperature
changes make it necessary to re-align the optics, and/or calibrate the
instrument. These problems, in addition to the high cost of most existing
systems, have limited the use of these techniques to date. back to top

				
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