Introduction
‘Seeing is believing!’이라는 말이 있듯 재료의 직접적인 관찰과 검증은 재료를 연구함에 있어 핵심적인 기반 기술이다. 놀랍게도 고대 그리스 철학자 데모크리토스가 물질의 기본 구성 요소로서 원자의 존재를 처음 제안한 이후, 실제 인류가 원자의 존재를 확인하기까지 약 3,000년의 시간이 소요되었다.[1] 이러한 역사적인 날은 1955년 10월 11일에 Pennsylvania State University 교수였던 Erwin W. Müller에 의해 실현되었으며 Müller와 그의 박사과정 학생인 Kanwar Bahadur는 W(텅스텐) 원자들을 직접관찰한 인류 최초의 인물이다(Fig. 1).[2]
Fig. 1.
Biographical memoir of Erwin Müller from John Panitz ‘My Life with Erwin’. Adapted from Panitz et al. with permission of International Field Emission Society (IFES).[3]
이들의 선구적인 업적은, 주사 터널링 현미경 (Scanning tunneling microscopy, STM)[4]과 원자힘현미경 (Atomic force microscopy, AFM)[5] 투과전자현미경 (Transmission electron microscopy, TEM)[6]처럼 원자 해상도를 갖는 현미경 기술이 개발되기 훨씬 이전에 이루어 졌다(Fig. 2). 실제로 원자를 관측한 최초의 주사 투과전자현미경(Scanning transmission electron microscopy, STEM)이미지는 Müller가 관측한 후 약 15년 뒤인 1970년 Albert V. Crewe와 그의 동료들에 의해서 이루어 졌으며,[7] STM은 1980년대 초, IBM 취리히 연구소(IBM's Zurich Research Laboratory)의 Gerd Binnig과 Heinrich Rohrer에 의해 이루어 졌다.[8] 이에 비해 Müller와 Bahadur는 비교적 단순하고 저렴한 전계이온현미경(Field ion microscopy, FIM)을 통해 이러한 역사적인 성과를 이루었다.[9]
Fig. 2.
(a) An early example of Erwin Müller's apparatus, which were blown from glass, and a phosphor coating on the opposite end for viewing the emission pattern. Inset shows (111) plane in W. (b) Gerd Binnig (right) and Heinrich Rohrer (left) with the scanning tunneling microscope. (c) Positioning Xe atoms on a Ni surface using STM. (d) Albert Crewe with a chain of single Th atoms, retrieved from The New York Times. Reproduced from the references Economou et al., Scanning 2011;34:83-89, with permission of Wiley.[10], Miller et al 1994 with permission of Elsevier.[11] IBM 2025, with permission of IBM.[12] Eigler et al., nature 1990;344:524-526 with permission of Springer.[13] Markoff et al., The New York Times, 2009 with permission of The New York Times.[14]
Müller는 인류 최초로 단일 원자를 직접 관찰했다는 엄청난 업적에도 불구하고, 노벨상을 받지 못했다. 그는 총 13회나 후보에 올랐고 (물리 12회, 화학 1회), 노벨위원회로부터 공식적인 인정을 받기 전에 1977년에 별세하였다.[15] 그러나 그의 유산인 전계 이온 현미경은 여전히 계승되고 있다. 그렇다면, “전계 이온 현미경”이란 정확히 무엇이며, 이를 통해 정확히 어떤 정보를 얻을 수 있을까요?
전계 이온 현미경은 기본적으로 진공상태에서 전하를 띤 금속 표면 근처의 불활성 기체 원자를 강한 전기장으로 이온화 시키는 원리에 기반한다.[16] 뾰족한 금속 시편에 수 킬로 전압을 가하면 시편 끝 부분(Apex)에 강한 전기장이 형성된다.[17] 이러한 전기장은 표면의 양전하로부터 발생되며 가해진 전압이 전자를 약간 안쪽으로 밀어내어 표면에 부분적으로 양전하를 띤 원자들이 시편 표면에 노출되게 하고[2,18–20] 이때, 비평면 구조에서 돌출된 원자들은 더 강한 전하 밀도를 경험하게 되어 국소적으로 전기장이 더 강하게 인가된다. 원자 수준에서 매끄럽게 곡률을 가진 표면에서는 이 돌출부의 단차(edge)의 위치와 일치하는 경우가 많으며(Fig. 3), 이와 같이 시편 끝단의 전기장 세기 분포를 시각화함으로써, 전계 이온 현미경은 원자 해상도의 표면 이미지를 제공할 수 있다.[9]
Fig. 3.
(a) Field ion microscope image of W using He as an imaging gas with the (001) pole in the center. (b) Computer-simulated projection image of surface atoms using a shell model and (c) (011) stereographic projection. Reproduced from Hono et al. 2014;5,1453-1589, with permission of Elsevier.[16]
Fig. 4.
Field ion micrographs of (a) gamma precipitates in Ni superalloy X750. (b) Mo-nitride precipitates in Fe-Mo alloy.(c) Fe-25%Be alloy showing Fe-rich alpha phase in B2-ordered matrix. (d) Fe-45%Cr alloy showing alpha-alpha prime phases. Reproduced Müller et al 1969, with permission of Elsevier.[18]
전계 이온화(Field-ionization) 과정에서 생성된 이온들은 시편 바깥쪽으로 가속되어 형광 스크린으로 향하며 이 과정을 통해 고배율 이미지를 형성한다. 이러한 이미지들은 개별 원자 및 그 배열을 생생하게 나타내며, 계단 구조(Steps), 단차 결함(Kinks), 공공(Vacancies), 원자 확산(Atomic diffusion processes) 등의 원자 규모의 특징을 나타낼 수 있다.[21–23] 따라서, FIM에서 단일 원자의 관찰 및 식별이 가능하다는 점은, 표면 동역학(Surface dynamics), 흡착 현상(Adsorption), 원자 확산 메커니즘 같은 근본적으로 재료 현상을 이해할 수 있는 기회를 제공한다.[24]
Fig. 5.
Typical field ion micrographs from a variety of materials. (a) Pure W observed along the {110} direction. (b) Darkly imaging precipitate in a CuFeNi alloy. (c) Nanocrystals of pure Al (red arrows) in an amorphous AlSm alloy. (d) Nitrided Fe–3%Cr alloy containing FeCrN platelets (red arrows) observed either from the top or edge-on. (e) Dislocation in pure Fe (red arrow). (f) Reconstructed lattice in a pure Fe specimen. (g) Brightly imaging T1 platelets (red arrows) observed side-on in an AlCuLi(Mg) alloy. (h) (Sc,Zr)-rich dispersoids (red arrows) in an AlZrSc alloy. (i) Same particles as in (h), observed by three-dimensional FIM; the core-shell structure of the precipitates is readily apparent. Micrographs (a-f) and (h, i) courtesy of F. Danoix, F. Vurpillot, B. Gault and W. Lefebvre. Reproduced from Gault et al., 2012, with permission of Springer.[24]
역사적으로 전계 이온현미경의 발전은 STM, AFM, TEM, FIB 등 분석기법의 기반을 마련하였으며, 특히 재료과학에서 원자수준 해상도와 3차원의 원자 분석이 가능한 원자 단층 현미경의 발전에 중요한 역할을 하였다.[25–28] 그러나, 이러한 역사적 중요성에도 불구하고, FIM은 낮은 이미지 세기와 해석의 어려움 등으로 인해서 실질적으로 상용화에는 어려움이 있었지만, 최근 향상된 검출기 성능과 이미지 재구성을 위한 계산 기법의 발달로 이러한 한계들을 극복하고 있다. 특히, FIM과 머신러닝 같은 현대 계산 기법을 결합하면, 면밀한 재료 분석을 비롯한 데이터 기반 새로운 재료 설계를 가능하다.
Fig. 6.
Schematic illustration of three phenomena that are observed under a high electrical field: (a) field emission and (b) field ionization. Reproduced from Hono et al. 2014;5,1453-1589, with permission of Elsevier.[16]
이 리뷰 논문은 FIM의 이론적 원리, 역사적 발전과정, 장비 구성, 응용분야 및 최신 기술을 체계적으로 다루며, 첨단 재료 과학 및 공학의 발전에 필수적인 원자 규모의 통찰을 제공할 수 있는 FIM의 독보적인 능력 기술한다. 이를 통해, FIM에 대한 새로운 관심을 유도하고, 원자 규모에서의 과학적 발견과 기술 혁신을 가능케 하는 강력한 도구로서의 활용을 촉진하고자 한다.
FIM의 기본 원리
2.1 전계 이온화 이론(Field ionization)
일반적인 조건에서 기체 원자들은 전기적으로 중성이며 안정적인 상태를 유지하고, 원자가 전자들은 안정된 원자 오비탈 내에 머물러 있다. 하지만, 수십 V/nm 이상의 강한 전기장에 노출되면 전자를 가두고 있던 원자 포텐셜 장벽이 크게 왜곡되며 특히 매우 뾰족한 시편 표면 근처에서는 이러한 장벽의 변형으로 인해서 전자 터널링(Electron tunneling) 확률이 급격히 증가하게 된다. 그 결과, 팁과 인접한 기체 원자 내 전자가 포텐셜 장벽을 넘어 시편의 이용가능한 전자 상태로 터널링 하여 이동할 수 있게 된다.
이러한 전계 이온 증발의 양자역학적 기반은 1928년 J. Robert Oppenheimer에 의해 처음으로 제시되었으며, 수소원자의 초점을 맞추어 분석을 수행되었다.[29] 그의 분석에 따르면 그 당시에는 실험적으로 재현이 불가능 했던 비정상적으로 높은 고전압이(108 V/cm 이상) 전계 이온화에 필요하였다. 이러한 양자 터널링 이온화 현상은 1955년 Müller가 처음으로 원자를 관찰하였을 때 실제실험으로 입증되었다.[1] Müller는 성공적으로 금속표면 근처의 바닥 상태 (ground state)로 존재하는 수소의 전계 이온화과정을 시연하였다. 이후 Inghram 과 Gomer[30] 그리고 Müller와 Bahadur에 의해 이론 모델이 더욱 정교해졌으며, 전자 터널링 확률을 정확하게 설명하기 위해 Wentzel–Kramers–Brillouin (WKB) 근사법이 적용되었다.
이 양자 터널링 이론에 따르면, 양전하를 띤 금속 팁 근처에 위치한 중성 기체 속 전자는 전기장이 가해짐에 따라 너비와 높이가 크게 감소한 포텐셜 장벽(Potential wall)을 만나게 된다.[31] 이때 전자 터널링(또는 전자 침투) 확률은 WKB 근사법을 활용하여 효과적으로 모델링 할 수 있으며 이는 수학적으로 다음과 같이 표시된다:
여기서 V(x)는 전자의 포텐셜 에너지를 의미하며 E는 총에너지, 그리고 적분 범위인 x1와x2는 전자의 전이점(Turning points)을 각각 나타낸다. 또한, 금속 내부의 전하 분포에 의해 유도되는 이미지 포텐셜이 포텐셜 장벽을 추가적으로 변형시킨다. 전계이온화는 오직 전자에너지가 금속의 페르미 에너지(Fermi energy)보다 클 때에만 발생하며 이 경우 전자는 금속의 비어 있는 전도대(Conduction band states) 상태를 점유할 수 있다.[32] 이 조건에서 임계 이온화 거리(xc)라는 특정한 거리보다 가까워지면 전계 이온화는 에너지적으로 불가능하다. 이러한 거리는 다음과 같이 나타난다:
여기서 I는 기체의 이온화에너지, ϕ는 금속의 일 함수(Work function), αa와 αi는 각각 중성원자와 이온의 분극률(Polarizabilities)을 의미한다. 이러한 이론으로부터의 예측값은 Müller와 Tsong이 진행한 실험값과 0.2 eV이내의 매우 유사한 값을 보였다. 예를 들어, 이온화에너지가 24.59 eV인 헬륨과 일함수가 약 4.5 eV인 텅스텐을 사용할 경우 약 50 V/nm의 조건에서 약 0.40 nm의 임계 이온화 거리를 보인다(Fig. 7).[33] Müller 와 Bahadur's의 실험 관측 결과는 약 0.1 nm의 극히 얇은 영역 내에서 전계 이온화가 발생함을 확인하였으며, 이를 통해 매우 국소적인 전계 이온화 현상을 입증하였다.[16]
Fig. 7.
Potential energy curves of ion and electron during field ionization and field evaporation. (a) Potential energy of an electron during field ionization of a helium atom. xc = 4 Å, F = 5 V Å-1]. (b) Potential energy of a helium ion corresponding to (a). Reproduced from Brandon, D.G., Br. J. Appl. Phys 1963;14:474-484, with permission of IOP Publishing.[33]
2.2 전기장 생성 및 강화
전계 이온화에 필수적인 충분히 강한 전기장을 생성하려면 시편의 기하학적 설계가 근본적으로 필요하다. 수십 V/nm 수준의 국소 전기장을 달성하기 위해서는, 금속 시편이 극도로 날카로운 바늘 형태로 가공되어야 한다. 평평한 전극 사이에 고전압을 직접 인가하는 방식은 전기적 절연 파괴(Electrical breakdown)으로 인해 사용이 어려우며, 반지름이 10∼50 nm의 날카로운 금속 팁이 사용되어야 한다. 이러한 구조는 팁에 인가된 전기장을 국소적으로 크게 증폭시키며 이를 기하학적 전기장 강화(Field enhancement)라고 일컫는다.[34,35]
정량적으로, 팁의 정점에서 전기장 F는 다음과 같이 근사할 수 있다:
여기서 V는 인가전압, R은 팁의 반지름 kf는 팁의 형상과 주변환경을 반영하는 기하학적 계수이고[36] 전기장 강화 계수(field enhancement factor (β))는 kf의 역수로 전계 증폭의 효율을 정량화하는 지표이다. 일반적으로 팁이 날카로울수록 전기장 강화 계수가 높아지며 이는 전자 터널링 장벽의 크기를 줄여 이온화가 보다 효율적으로 발생하도록 한다.[37] 예를 들어, 반경이 약 20 nm인 가느다란 텅스텐 팁은 일반적으로 5에서 7사이의 전기장 강화 계수를 나타낸다.[38–42] 반면, 반경이 약 50 nm의 상대적으로 뭉툭한 팁은 3에서 4 정도로 낮은 전기장 강화 계수를 나타내며 유사한 이온화 효율을 얻기 위해서 더 높은 전압이 필요하다.[43]
전기장 강화 계수의 실험적 측정과 정밀한 최적화는 FIM에서 필수적인 단계이다.[45] 반복적인 전기화학적 에칭과 제어된 전계 증발 과정을 통해 연구자들은 최적의 국소 전기장을 달성하기 위한 팁 형상을 체계적으로 설계한다. 또한, 유한 요소 모델링(Finite element modeling)을 활용한 수학적 시뮬레이션은 전기장 분포를 정확하게 예측할 수 있어 실험 설계 및 해석에 큰 도움을 준다(Fig. 8). 따라서, 전기장 강화는 기본적으로 공간 분해능, 이온화 효율, 팁 안정성을 좌우하는 핵심요소로 FIM의 전체성능에 직접적인 영향을 미친다.
Fig. 8.
(a) Caculation solving Maxwell's equations yields the local electric field strength at the time when the near-field induced by a 5 fs, 800 nm laser pulse is at its maximum. Gray arrows indicate the local field direction. (b) Dielectric function for various materials. (c) Maximum field enhancement ξ for tungsten and gold nanotips. (right) Measured field enhancement factors at tungsten and gold nanotips. Field enhancement factor of tungsten tips (blue dots) and gold tips (red squares) as a function of the tip radius. Lines show the results of a numerical calculation of Maxwell's equations (W: solid blue line, Au: dashed red line). (bottom) Calculated results for the apex field-enhancement factor, for the ‘ hemisphere on a post’ model. Reproduced from Krüger et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2018;51:172001 with permission of IOP Publishing.[44]
2.3 이온화율 및 이미징 가스 공급
2.3.1 전기장 유도 쌍극자 인력과 가스 밀도 증가
FIM에서의 이온화율은 전자 터널링 확률뿐만 아니라, 팁 주변의 가스 원자 동역학에도 크게 영향을 받는다. 강한 국소 전기장 하에서, 중성 가스 원자는 유도 쌍극자 모멘트를 형성하게 되며, 이로 인해 팁 표면 쪽으로 뚜렷한 정전기적 인력이 발생한다. 이러한 현상은 팁의 정점(Apex) 부근에서의 가스 원자 밀도를 현저히 증가시켜, 고전적인 운동 이론만으로는 설명할 수 없는 수준으로 이온화 확률을 높인다.[46] 정량적으로, 원자 단위에서의 이온화 전류(J)는 다음과 같이 표현될 수 있다:
여기서 G"는 국소적인 가스 밀도를, V는 이온화 부피를, Pe"는 전자 터널링 확률 (e.g. 특성적인 전자 전이율(Characteristic electronic transition rate))을 나타낸다. Forbes, Müller를 비롯한 여러 연구자들은 이 관계가 실험 결과를 정확하게 모델링하는데 필수적이라는 점을 발견하였다. 국소 전류에 의해 개별 원자 위치에 존재하는 가스밀도가 영향을 받지 않는다는 단순화된 평형상태의 가정을 적용하더라도, 두 원자 위치 (A와 B) 간의 이미지의 명암비는 다음과 같은 비율로 나타낼 수 있다:
Fig. 9.
Brightness of the (111) region of a tungsten tip, field evaporated at 78 K in helium, as a function of tip voltage and temperature. Inset table shows the calculation from Forbes. Reproduced from Chen et al., Surface Sci. 1972;26:61-84, with permission of Elsevier.[52]
이 관계에서 F0 은 평균 전기장 세기, δ F0는 두 원자 위치에서의 전기장 차이, T는 팁의 온도, α는 가스 원자의 분극, Gi"은 i번째 위치의 가스 밀도를 의미한다. Forbes는 아주 미세한 국소적인 전기장의 차이가(특히, 극저온조건에서) FIM이미지의 명암비를 크게 향상시킬 수 있음을 입증하였다.[47,48] 예를 들어, 5 K에서 전기장의 세기가 단 1%가 변화하더라도 약 40배의 밝기 차이를 보일 수 있다. 그러나 Müller는 이러한 단순화 과정에 대해 우려를 표했으며, 그의 저서에서 “ Forbes는 모든 영향을 무시하고 단순화하여 완전히 잘못된 결론을 도출하였다”라고 언급하였다. 또한, Müller는 아원자(sub-atom)수준의 양자역학 원리부터 거시적 수준의 고전물리학(전기장 강화 효과 및 가스 동역학)까지 철저히 고려하는 것이 필요함을 강조하였다.[49] 그러므로, 이러한 요소들을 종합적으로 분석하는 것이 FIM의 근본 과학을 정확히 이해하는 데 매우 중요하다.[46,50,51]
Fig. 10.
(a) Schematic view of the point-projection of the atoms from the surface. (b) FIM image of a pure tungsten specimen, in which the dashed line circles highlight some of the successive terraces between the [011] and [123] directions. (c) Schematic view of the tip apex and (d) corresponding ball model. Reproduced from Gault et al., 2012, with permission of Springer.[24]
이미지 형성 및 공간 분해능
3.1 이온 궤적과 배율
전계 이온화된 가스 원자는 양이온으로 변환되어 전기장 선을 따라 팁에서 방사형으로 가속되어 나아간다. 이로 인해 발생하는 배율은 전형적으로 106에서 107범위에 이르며, 개별원자를 식별할 수 있게 한다. 이 배율(Magnification, M)은 시료 팁과 검출기 스크린 사잉의 기하학적인 관계에 따라 달라지며, 다음과 같이 표현된다:
3.2 FIM의 공간분해능
FIM에서 공간 분해능은 두 점이 구분될 수 있는 최소한의 측면 거리를 의미하며, 주로 광학렌즈가 아닌 기하학적 투영 원리(Geometric projection principles)에 기반한다. FIM은 나노 미터 이상의 분해능을 달성하는데 이는 본질적으로 세가지 주요 요인에 의해 제한된다: 이온화 영역의 크기, 측면 이온의 속도, 그리고 양자 위치의 불확정성이다. 이온화 영역의 측면 정도는 전계 유도 전자 터널링(Field-induced electron tunneling)이 발생하는 지역에 의해 결정된다. 최적의 이미징 조건인 최적 영향 전기장은(Best image field) 이 임계 거리를 최소화하여 분해능을 향상시킨다. 열 에너지는 새로 이온화된 가스 원자에 측면 속도를 높이고 궤적의 분산을 일으켜 분해능을 저하시킨다.[52,59,60] Müller와 Tsong[18]은 이러한 현상을 다음과 같이 정량적으로 표현하였다.
Fig. 11.
Field evaporation sequence of Ni-Zr intermetallic catalyst showing atomic terrace Field-ion micrograph of partially ordered FePt heat treated at 450° C for SRO measurement. Vacancy in 800-MeV proton-irradiated W {110}. Coherent precipitate formed in Cu-2%Co alloy. Line emphasizes lattice plane edges. (right) Precipitate in aged Cu-1.4%Fe alloy. Nuclei marked in solid circles. Reproduced from son et al., Surf. Sci. 1970;23:177-197 with permission of Elsevier,[63] Farnum et al., J. Nuclear Materials 1984:123:996-1001 with permission of Elsevier,[64] Goodman et al., Metall. Trans. 1973;4:2363-2369, with permission of Springer,[65] Miller et al., 1994, with permission
재료과학에서 FIM의 응용
FIM의 대표적인 응용 중 하나는 다결정 재료에서 결정립계와 같은 구조적 계면의 정밀한 관찰이다. 예를 들어, Smith 등은 FIM을 통해 결정립계에서의 원자 배열을 명확하게 시각화하고, 전위(Dislocation) 및 공공(Vacancy)과 같은 구조적 결함을 정밀하게 관측할 수 있음을 입증하였다.[63]
또한, FIM은 정량적으로 합금 내 원자 배열의 정량적 평가도 중요한 역할을 할 수 있다. Son 등이 진행한 연구에서 FIM이 FePt와 같은 합금에서 단범위 배열(SRO, Short range order) 및 장범위 배열(Long range order)를 포함한 원자 배열을 정밀하게 특성화할 수 있는 강력한 도구임을 보였다.[64] 뿐만 아니라, FIM은 원자 수준 해상도로 촉매 표면을 정밀 분석하는 데에도 매우 유용하며, 이 경우 이미지는 terraces, steps, and kink를 포함한 촉매 표면의 원자수준 구조에 크게 의존한다.[65] 또한, FIM의 연속적인 이미지 분석을 통해 석출물이 원자규모에서 어떻게 핵생성이 되고 성장하며 주변 격자에 정합성(Coherent)을 갖는지 파악할 수 있다. [66,67] 이러한 원자 수준의 해상도로 실시간으로 관찰할 수 있는 FIM은 핵심 메커니즘에 대한 이해를 향상시키며, 성능 최적화를 위한 설계전략 수립에 직접적으로 기여하고 있다.[11,52,68]
Fig. 12.
(a) Generation of a three-dimensional image from a sequence of field-ion microscopy images taken at a constant evaporation rate.[78] By zooming in, we note the presence of (011) atomic planes. (bottom) Steps of three-dimensional reconstruction. (b) Field ion micrograph zoomed on the (012) planes showing consecutively atomic layers. A vacancy underneath one of Ta atom in along Ni atoms.[79] (c) Interaction of Ta solutes with vacancies and their diffusion in fcc Ni investigated by density-functional theory in combination with Monte Carlo simulations.[80] Reproduced from Shyam. Schuwalow et al., J. Phys.: Condens. Matter 2014;26:485014, with permission of IOP Publishing,[78] Morgado et al. Scr. Mater 2021;203:114036, with permission of Elsevier,[79] Vurpillot et al., Microsc. Microanal. 2017;23:210-220, with permission of Oxford University Press.[80]
FIM의 한계와 미래 전망
원자 해상도 (약 0.2 nm)라는 FIM의 고유한 강점에도 불구하고, 여전히 여러 한계점이 존재하며 기술적 발전과 방법론적 개선을 필요로 한다. FIM의 주요한 한계 중 하나는 이온화 및 이미징을 위해 요구되는 고 전기장에 의한 시편의 강한 기계적인 응력이다. 팁 표면에 가해지는 기계적 응력(약 1010 N/m2)은 대부분의 재료에서 탄성 변형을 유발할 만큼 크다.[69,70] 따라서, 텅스텐과 같은 내화 금속(Refractory metal),이나 격자 결함이 거의 없는 재료처럼 높은 영률(Young's modulus)을 가지는 물질만이 이러한 극한 이미징 조건을 안정적으로 견딜 수 있다. 이로 인해 FIM에 적합한 재료의 범위가 크게 제한되고 있다.
다른 중요한 도전과제는 화학적인 조성 식별(Chemical identification)이다. FIM은 주로 구조적정보를 제공하며, 이미지의 명암비와 강도차이를 기반으로 화학적 성분을 간접적으로 추론하는데 그치며 이 또한 경험적인 보정이 필요하다.[71,72] 반면, 강력한 계산 기술과 함께 발전한 현대의 원자 탐침 현미경(APT)는 비행시간 질량 분석(Time-of-flight mass spectrometry)을 이용하여 측정된 원자의 조성과 3차원의 위치를 포착할 수 있다. 이로 인해 APT는 재료의 3차원 화학 분석에 있어 기존 FIM을 상당부분 대체하였다.[73] 그럼에도 불구하고 연속적인 전계 증발과 이온화 과정을 통합한 분석형 FIM (analytical FIM, a-FIM)과 같은 최근의 발전은 이러한 한계를 극복할 가능성을 보여 주고 있다.[74] a-FIM는 이미지 강도차이와 명암비 순차적인 이온화 기법을 결합함으로써[75,76] 원자수준의 화학 정보를 제공할 수 있으며, 특히 용질-공공 상호작용 연구에 효과적으로 활용할 수 있다.[77]
깊이 분석(Depth profiling) 또는 정확한 z-depth깊이 분석은 또다른 FIM의 주요한 한계로 남아있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 초기 시도는 다수의 FIM 이미지를 누적하여 3차원의 단층 데이터셋을 구성하는 방식 이였다.[68] 그러나 이 접근법은 상당한 공간분해능의 열화를 유발하였으며 중간값 처리(Median filtering), 히스토그램 평균화(Histogram equalization)와 같은 영상처리 과정이 필요하였다.[81] 최근의 계산 기법의 발전, 특히 머신 러닝(Machine learning) 기반의 재구성 알고리즘과 자동화된 이미지 분석 기법은 3차원 FIM 단층 분석의 정밀화를 가능하게 한다.[82] 또한, 고감도 charge-coupled device (CCD) 카메라와 시간 분해형 마이크로 채널 플레이트 (time resolved microchannel plate)와 같은 검출기 기술의 발전은 상당하게 시간해상도를 향상시켰다.[82,83] 현재 이러한 검출기 기술을 통해 밀리초(ms) 단위의 이미징이 가능해지면서, 연구자들은 표면 확산, 원자 재배열, 기체 흡착-탈착 현상 등 실시간 원자 스케일의 동적 과정을 시각화 할 수 있게 되었다.[84–86] 이러한 FIM의 향상된 시간 해상도는 원자 수준의 동역학을 직접적으로 연구할 수 있는 새로운 기회를 제공하며, 동적 물질 거동에 대한 연구의 새로운 기회를 제공할 것이다.[87–90]
Conclusions
FIM은 인류가 원자를 직접 시각화한 최초의 기술로서, 원자 규모에서의 물질에 대한 근본적인 이해에 있어 지대한 영향을 끼친 매우 선구적인 기법이다. TEM, STM, APT 등의 최신 기법들이 등장했음에도, FIM은 여전히 결정학 해석이나 동적 표면 이미징에 있어 특별한 장점을 갖고 있다. 그러나 이러한 기술에는 본질적인 한계가 존재하며 지속적인 혁신이 요구된다. 특히 최근의 첨단 계산 기법의 도입은 이러한 기존의 문제점들을 효과적을 극복할 수 있는 가능성을 보여주고 있으며, 이러한 atomic FIM개발과 같은 지속되는 FIM의 renaissance는 FIM기술의 대한 관심의 증가와 상당한 미래 사용 가능성 반영한다. 따라서, 원자 해상도 이미징 기법과 계산기법을 결합함으로써, FIM은 전례없는 정량적인 정확도를 달성할 수 있으며, 이는 재료설계에 있어 핵심적인 진보를 가능하게 할 것이다.
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