Atomic force microscopy (AFM) is a versatile tool which can observe various properties (e.g., friction, adhesion, surface potential, and conductance) at nanoscale using a short-range interaction between atoms at a sharp AFM tip and the surface of sample. Unlike other microscopes, non-optical AFMs are also capable of precise calibration to have atomic-level resolution. In recent years, many studies have shown remarkable results using AFM. The existence of wrinkles on exfoliated graphene was revealed by AFM measuring periodic friction forces. Furthermore, it is possible to produce electricity rubbing the sample surface with an AFM tip. In this dissertation, Chapter 1 introduces the research background of AFM in surface chemistry. In Chapter 2, vanadium dioxide nanowires fabricated by chemical vapor deposition were hydrogenated prohibiting formation of oxygen vacancies, and the changes in structural and electrical properties were observed. In particular, the Kelvin probe force microscopy (KPFM), one of the modes of AFM, was used to measure the work function and infer the energy band structure. In Chapter 3 and 4 of this thesis, it was shown that UV irradiation and hydrogenation on ultrananocrystalline diamond (UNCD) films causes chemical modification on the surface, and the resulting an enhancement of triboelectric properties. The graphitization and oxidation of the surface by UV/ozone treatment and the increase in work function were observed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS), and the fact that radicals were formed on the surface could be speculated from the contact angle measurements. Furthermore, contact electrification induced hydrogenation produces more hydrocarbons on UNCD resulting in increment of work function and decrease in electrical conductivity. The contact mode of AFM was used to generate triboelectricity, and it was possible to quantitatively analyze the produced tribocharges using a KPFM that the characteristics of triboelectricity were improved by the oxidized surface and radicals. In Chapter 5, the friction characteristics of the surface of UNCD were studied by controlling the gas environment of oxygen, nitrogen, and water from ultra-high vacuum (UHV) to atmospheric pressure through a gas manifold on an UHV-AFM. It was confirmed by AP-XPS that the surface of the UNCD was oxidized in an oxygen condition, and that the frictional force increased by 6 times was confirmed with an ambient pressure AFM (AP-AFM). Nitrogen did not significantly change the surface properties because of its high dissociation energy. In the presence of water, oxidation occurred at initial dosing state, and the friction force increased slightly, whereas when water was injected close to ambient pressure, the friction decreased significantly. When water molecules are present on the UNCD surface, the surface is passivated by dissociated water molecules due to normal pressure at the diamond tip-UNCD interface, thereby reducing friction forces. Based on these studies, AFM has potential for various applications (e.g. nanodevices, energy materials).
원자간력 현미경은 수 나노 수준의 미세한 탐침과 시료의 표면의 원자 간 매우 짧은 거리에서의 상호작용을 이용하여 나노스케일에서 마찰력, 접착력을 비롯한 여러 물성들을 관측할 수 있는 장비이다. 다른 현미경들과 달리 비광학적인 원자간력 현미경은 정밀한 캘리브레이션을 하여 원자 단위의 분해능을 갖는 것 또한 가능하다. 최근 많은 연구에서 원자간력 현미경을 이용한 성과를 나타내고 있다. 원자간력 현미경을 이용하여 그래핀의 미세주름을 규명하기도 한 반면, 탐침으로 시료 표면을 마찰시켜 마찰전기를 발생하는 등의 여러 응용 가능성을 보여주고 있다. 본 학위논문의 제1 장에서는 표면화학에서 원자간력 현미경의 연구적 배경에 대해 소개한다. 제2 장에서는 화학기상증착법으로 제작된 이산화바나듐 나노선에 수소화를 하여 구조적인 변화와 전기적 특성 향상을 관찰하였다. 특히 일함수와 에너지밴드 구조를 유추하기 위해 원자간력 현미경의 여러 모드 중 하나인 켈빈탐침힘현미경을 사용하였다. 본 논문의 제3 장 및 4 장에서는 초미세나노결정에 표면화학처리를 하여 표면의 화학적인 변화를 야기하고, 이로 인해 향상되는 마찰전기 특성을 탐구하였다. UV 오존 처리에 의해 표면이 흑연화와 산화가 일어나고 일함수가 증가하게 되는 것을 X선 광전자 분광법과 자외선 광전자 분광법으로 관찰하였고 접촉각 측정으로 라디컬 형성을 유추할 수 있었다. 또한 Pt 증착과 황산처리에 기인한 수소화에 의해 일함수의 증가, 전기전도도의 감소를 확인하였다. 원자간력 현미경의 접촉모드를 사용하여 마찰전기를 발생시켰고 산화된 표면과 라디컬 및 탄화수소에 의해 마찰전기의 특성이 향상되는 것을 켈빈탐침힘현미경을 이용하여 생성된 마찰전기를 정량적으로 분석하는 것이 가능하였다. 제5 장에서는 초고진공 원자간력 현미경에 가스매니폴드를 통해 초고진공부터 상압까지 산소, 질소, 물 등의 기체 환경 조절을 하여 초미세나노결정 표면의 마찰 특성을 연구하였다. 산소 환경에서 초미세나노결정의 표면이 산화가 된 것을 상압 X선 광전자 분광법으로 확인하였고, 이로 인해 마찰력이 5배 가량 증가하는 것을 상압 원자간력 현미경으로 규명하였다. 질소환경에서는 질소의 높은 결합에너지로 인해 표면의 특성이 크게 변하지 않았으며, 물 분자가 존재할 때는 주입 초기에는 산화가 먼저 일어나서 마찰력이 소폭 증가하는 반면, 상압에 가깝게 물을 주입할 경우 마찰력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 물 분자가 존재할 때 다이아몬드와 다이아몬드 계면에서 압력에 의해 분해된 물 분자에 의해 표면이 패시베이션 되고 이에 의해 마찰력이 감소하게 된다. 이러한 연구들을 기반으로 원자간력 현미경은 나노소자와 에너지재료를 비롯한 다양한 응용에 잠재력이 있다는 것을 시사한다.
