Magnetic resonance is developed in early 20s century and achieve good works in fields of physics, chem-istry, and biology, needless to say, in fields of medicine and biotechnology. And, this method revolutionized the practice of these fields by providing chemically selective, non-destructive, and locally probing means for the observation of matter from the atomic to the macroscopic scale. The one major weakness of NMR is the low detection sensitivity, which limits its application to bulk samples. Nowadays thin film samples are used in many areas. The bulk and thin film, even though they are composed of same materials, have different characteristics, and it needs to investigate the thin film samples for characterizing. However, except few specific cases, thin film NMR has never been detected by conventional NMR method because of its poor sensitivity. To overcome this shortage of magnetic resonance, Magnetic Resonance Force Microscopy (MRFM) was proposed. It is a com-bined technique of magnetic resonance and scanning probe microscopy(SPM). This technique increased the sensitivity of magnetic resonance extraordinarily. The aim of the works in this article is to investigate thin films by NMR using the high sensitivity of MRFM. For preliminary study, Electron Spin Resonance(ESR) signal from DPPH was observed and investigated at room temperature. Low temperature MRFM was developed for higher signal to noise ratio. In NMR studies, natural line width and spin lattice relaxation time($T_1$) are most important factors for characterizing condensed matter systems. By modifying the MRFM set up, The natural line width and spin lattice relaxation time($T_1$) of general thin film samples were obtained for the first time.
자기공명기법은 20세기에 발전된 이래로 물리, 화학, 생물, 의학, 생명공학 등의 분야에서 많은 공헌을 하였다. 이 기법은 비파괴적이고, 핵종 구분이 가능하며, 국소적인 부분의 신호 관측을 할 수 있는 장점을 가지고 있어 이러한 장점들이 필요 되는 분야들에 있어서 많이 응용 되어지고 있다. 하지만 장점들에 반해 기존 자기공명 기법은 신호 민감도가 작아서, 덩어리 시료들만을 측정할 수 있는 단점이 있었다. 이러한 단점을 해결하기 위해 제안된 방식 중 하나가 자기공명 힘 현미경이다. 자기공명 힘 현미경은 자기공명과 원자 힘 현미경을 접목한 방식으로 자기공명 신호를 원자 힘 현미경의 외팔보를 통해 측정함으로써 기존 측정방식의 단점이었던 민감도를 월등하게 향상시켰다. 또한 다른 현미경들과 달리, 비파괴적, 핵종 구분가능 등의 자기공명 기법의 장점을 십분 발휘 할 수 있어서 앞으로도 많은 분야에 응용될 수 있는 가능성을 가지고 있다. 이 연구에서는 자기공명 힘 현미경을 이용하여, 이전에는 신호민감도가 떨어져 측정 할 수 없었던 박막 시료들의 핵자기 공명 신호측정과 이를 이용한 연구를 목표로 하였다. 많은 분야에서 박막시료가 쓰이고 있으나, 덩어리 시료와 박막시료는 같은 성분으로 구성되어 있다 하더라도 다른 특성을 나타내는 경우가 많아 따로 연구될 필요성이 높다. 따라서 박막시료의 자기공명 신호 측정에 성공하게 된다면, 이는 박막 및 이차원 구조의 물성 연구 등에 커다란 기여를 할 수 있을 것이다. 이 연구에서는 박막 신호 측정을 위하여 저온 자기공명 힘 현미경을 구축하였다. 온도를 내리면, 신호크기는 키우고, 외팔보의 열적 잡음을 줄여서 신호 민감도를 훨씬 키울 수 있다. 자기공명 기법을 통해 물성연구를 하는데 측정해야 할 중요한 요소 중에는 시료의 자연 선폭과 스핀 격자간 완화 시간이 있다. 기존의 연구 그룹들은 영상화를 목적으로 큰 자기 구배를 사용하여 자연 선폭을 얻을 수 없었으나, 이 연구에서는 그와 반대로 박막 평면상으로 균일한 자기장을 만들어 영상 정보를 최대한 없애는 과정을 통해서 일반적인 박막 샘플의 자연 선폭을 최초로 측정 할 수 있었다. 이와 함께 박막의 스핀 격자간 완화시간을 측정하는 데에도 최초로 성공하였다. 스핀 격자간 완화시간의 경우 실험 조건에 따라 측정되는 값이 변화되는 것을 막기 위해 하나의 외팔보 배열을 준비하여 그 위에 각 대조군이 되는 시료들을 올려서 한꺼번에 실험을 하였다. 이는 프루브 내의 기계적 진동을 줄이기 위해 나노 포지셔너를 최소한도로 장착시키는 많은 다른 그룹과 달리 두 쌍의3축 나노 포지셔너 넣고 헬륨 온도에서 구동하여, 각 시료 위치에 자석과 광섬유를 가져갈 수 있는 조건이 갖추어졌기 때문에 가능한 것이었다. 이러한 방식으로 각각 다른 두께를 가지는 박막과 덩어리 시료에서의 스핀 격자간 완화시간을 측정하였고 측정된 값이 각각 시료의 두께마다 확연히 다르며, 두께가 얇아질수록 더욱 짧은 스핀 격자 완화시간을 갖는다는 사실을 관측하였다.
