Kavli Prize로 인정받은 AFM 개척자

30년 후 9,000번 인용된 AFM(Atomic Force Microscope)의 발명가는 오늘 Kavli 나노과학상을 수상했습니다.

게르드 비니그 그리고 1990년대의 크리스토프 거버.

상은 Gerd Binnig, Christoph Gerber 및 Calvin Quate가 공유합니다. Binnig와 Gerber는 이전에 IBM Research – Zurich에서 근무했으며 Stanford University의 Quate와 협력했습니다(Stanford의 Binnig, San Jose의 IBM Research의 Gerber, 현재 Almaden).

세 명의 과학자는 "나노과학 및 기술에 지속적으로 변혁적인 영향을 미치고 있는 측정 기술 및 나노 조각의 돌파구인 원자력 현미경의 발명 및 실현으로 상을 받았습니다. .”

AFM은 1986년 3월 3일 "Atomic Force Microscope"라는 간단한 제목으로 피어 리뷰 저널 Physical Review Letters에 처음 게재되었습니다. 본 발명은 주사 터널링 현미경(STM)과 스타일러스 프로파일로미터의 원리를 결합하여 원자 분해능을 감지합니다. Binnig는 몇 년 전에 고 Heinrich Rohrer와 함께 STM을 공동 발명했으며 둘 다 1986년 노벨 물리학상을 받았습니다.

첫 번째 특허에 단독으로 등재된 Binnig는 IEEE Spectrum Magazine에 인용되었습니다. 2004년 그는 AFM에 대한 아이디어가 그가 소파에 누워 있는 동안 무의식적으로 그에게 떠올랐다고 말했습니다. Stanford에 있는 동안 그는 Calvin Quate와 그의 IBM 동료인 Christoph Gerber를 참여시켰습니다. 그 동료는 이미 STM 개발을 위해 협력한 적이 있으며 함께 AFM을 실현했습니다.

AFM의 30주년 기념일에 대해 최근 Physics World 잡지에서 인터뷰한 Gerber는 발명의 발전에 대해 다음과 같이 말했습니다.

“Gerd는 전류가 아닌 팁과 샘플 사이의 상호 작용력을 측정하는 것이 가능할 수 있으며 아마도 캔틸레버로 이를 수행할 수 있다고 제안했습니다. 우리는 대략적인 계산을 했고 원자 분해능을 얻으려면 10 ^–10 수준에서 힘을 감지할 수 있어야 한다는 것을 깨달았습니다. N 또는 10 ^–11 N! ”

아주 작은 원자력을 측정하는 비결은 금과 다이아몬드라는 두 가지 귀중한 요소에 의해 전달되었습니다. Physics World의 Gerber 의견:

“장치의 핵심은 캔틸레버로 사용되는 몇 미크론 두께의 매우 얇은 금박이었습니다. 우리는 레코드 플레이어의 스타일러스에서 얻은 으깨진 다이아몬드 조각을 캔틸레버에 붙여 팁으로 사용했습니다.”

“우리는 원자적 분해능을 바로 얻지는 못했지만 저널 논문을 제출할 수 있을 만큼 가까웠습니다. 1년 안에 우리는 흑연 표면에서 처음으로 원자 분해능을 보여주는 배치 제작된 실리콘 캔틸레버를 기반으로 하는 더 발전된 기기를 갖게 되었습니다."

세 사람은 중요한 작업을 마친 후 AFM 기술을 특히 캔틸레버 설계 및 응용 분야와 관련하여 여러 가지 새로운 방향으로 발전시켰습니다.

Binnig는 비휘발성 메모리 개발을 목표로 하는 나노구조화를 위한 대규모 병렬 프로브를 만들기 위해 캔틸레버 디자인을 채택했습니다. 이 작업은 나노패터닝 기술을 비롯한 여러 혁신을 낳았습니다.

IBM에서 Gerber는 캔틸레버 어레이를 사용하여 "인공 코"를 개발했으며, 이는 화학 및 생화학 반응 분야와 의료 응용 분야에서 성공적인 것으로 입증되었습니다. 그는 현재 스위스 바젤에 있는 그의 연구 그룹에서 이 연구를 계속하고 있습니다.

Quate는 약물 발견, 식품 진단, 재료 특성화 및 폭발물 감지를 위한 애플리케이션 감지를 위한 미세 기계 캔틸레버에 중점을 두었습니다.

지난 30년 동안 AFM 기기는 감도, 분해능 및 다양한 분야로의 적용과 관련하여 엄청난 발전을 보였습니다.

예를 들어, 2008년 IBM Research – Almaden의 Markus Ternes와 동료들은 AFM을 사용하여 표면을 가로질러 단일 원자를 미끄러지게 하고 관련된 힘을 직접 측정하기 위해 이 탐지 체계를 사용했습니다.

1년 후, Gerhard Meyer와 Leo Gross가 이끄는 취리히의 IBM 과학자 팀은 단일 일산화탄소 분자로 원자현미경의 끝 부분을 수정했습니다. 1나노미터 미만의 이 이원자 분자는 단일 분자의 내부 화학 구조(화학 결합)를 분해할 수 있을 정도로 고해상도의 이미지를 생성했습니다.

Gross는 “다른 확립된 기술과 관련하여 우리 기술의 주요 차이점 중 하나는 단일 분자를 측정한다는 것입니다. 또 다른 장점은 팁을 사용하여 개별 분자의 화학 반응을 시작할 수 있고 반응을 추적하고 원자 규모에서 그 생성물을 연구할 수 있다는 것입니다.”

Meyer와 Gross는 동료인 Bruno Schuler와 함께 최근 Physics World의 AFM 30주년에 관한 기사를 발표했습니다.

"고해상도 원자현미경은 개별 분자 수준에서 물리적, 화학적 및 생물학적 과정을 이해하고 제어할 수 있는 기회를 제공합니다. 힘 감도와 시간 및 공간 분해능의 지속적인 개선은 나노과학의 경계를 더욱 넓힐 것입니다. 아마도 또 다른 30년 안에 AFM은 Richard Feynman이 1959년 그의 유명한 연설에서 언급한 원자 어셈블러로 더욱 개선될 것입니다. .”

"어느 쪽이든 AFM이 기초 물리학에서 화학 및 생명 과학에 이르기까지 발견을 계속 촉진하여 나노미터 규모 이상에서 자연의 가장 불가사의한 메커니즘을 풀게 될 것이라는 데는 의심의 여지가 없습니다."

IBM 과학자들이 Kavli 상을 수상한 것은 이번이 두 번째입니다. Don Eigler는 원자 조작의 개발과 표면의 원자 및 분자 배열이 정밀하게 제어되는 양자 현상의 해명으로 2010년 나노과학 부문 Kavli Prize를 수상했습니다.

Kavli Prizes는 가장 크고, 가장 작고, 가장 복잡한 규모의 존재에 대한 우리의 이해에서 선구적인 발전을 이룬 과학자들을 인정합니다. 천체 물리학, 나노과학 및 신경과학 분야에서 2년마다 수여되는 3개의 국제상은 각각 100만 달러(미화)로 구성됩니다. 수상자는 세계에서 가장 유명한 6개 과학 학회 및 학회에서 추천하는 위원으로 구성된 위원회에서 선택합니다.