We develop an AFM simulation program in non-contact mode, that uses the feedback process in which the cantilever moves up and down by comparing the amplitude with the initial steady-state amplitude. It can measure the shape of any given sample in 1/100 or 1/1000 nm scale. Since the initial position of AFM tip and bimorph amplitude are key factors in the non-contact mode simulation, we determine the appropriate initial conditions by considering the two major principles. First, the tip and the surface must not contact in the process of simulation. Second, tip's motion must be affected by the interaction force between the tip and the sample. Not only the numerical solution but the analytic solution obtained by the discrete Fourier transform (DFT) are used in the simulation.
AFM(Atomic Force Microscope)은 측정하고자 하는 물질의 표면과 탐침사이의 상호 작용력을 이용하여 물질의 표면형상을 원자단위까지 측정해 내는 매우 널리 쓰이는 강력한 도구이다. 탐침과 물질표면과의 상호 작용력에 따라 AFM은 접촉식, 비접촉식 그리고 반접촉식 모드로 나뉜다. 접촉식 모드의 경우는 시뮬레이션 하기 매우 쉬운 방법이고, 반접촉식 모드는 탐침과 표면사이의 상호작용력과 접촉에 의한 영향까지 생각해야 하므로 상당히 복잡한 절차를 요한다. 본 논문에서는 완전한 AFM 시뮬레이션을 구현하기 위해서 최종단계인 반접촉식 모드 이전단계인 비접촉식 모드에 대한 시뮬레이션을 하고자한다. Kim [3]의 연구에서 사용하였던 수치적 해를 기본으로 하여, 초기 안정 상태에서의 진폭과 대비하여 진폭의 크고 작음에 따른 캔틸레버의 상하이동을 통한 피드백을 사용하여 비접촉식 모드 시뮬레이션을 하였다.
비접촉식 모드에서 탐침의 초기 위치와 인위적인 진동은 시뮬레이션에서 가장 중요한 요소이다. 만약 이 초기조건들이 적절하지 않다면 측정하고자 하는 물체와 상관없이 캔틸레버가 의미없는 움직임을 하는 경우가 되거나 물체와 탐침이 접촉하게 되는 반접촉식 모드가 되기 때문이다. 따라서, 우리는 도입부에서 이 초기 조건들을 정하는 과정을 보이고 이렇게 정한 초기 조건들을 이용한 시뮬레이션을 통해 주어진 물체를 측정하게 되는 피드백 과정을 여러 그래프를 통하여 살펴 보았다. 또한, 수치적인 해가 아닌 DFT를 사용하여 구한 해석적인 해를 이용한 시뮬레이션으로 동일한 결과를 얻었으나, 기대하였던 만큼의 보다 빠른 측정을 하지는 못하였다. 다만, 탐침운동의 끝부분에서의 힘을 정확하게 알아 낼 수 있기 때문에 반접촉식 모드로의 확장을 통한 보다 정확한 시뮬레이션을 할 수가 있을 것이다.
