Kelvin probe microscopy nebo KPFM je jedním z členů sady elektrických charakterizačních metod dostupných v mikroskopii skenovací sondy pro mapování povrchového potenciálu nebo pracovní funkce vzorků.
KPFM poskytuje informace o kontaktním potenciálu nebo pracovní funkci povrchu vzorku, čímž poskytuje mechanismus kontrastu související s elektrickými vlastnostmi vzorku. Pracovní funkce je definována ve fyzice pevných stavů jako energie potřebná k odstranění elektronu z Fermiho úrovně v pevné látce do vakua; pracovní funkce je tedy vlastností povrchu, ne objem. Proto je KPFM metoda citlivá na povrch, která sonduje pouze povrch a povrch.
kelvinova silová mikroskopie pracuje v režimu amplitudové modulace, což je typ dynamického silového režimu, kdy je konzol s tenkým elektricky vodivým povlakem poháněn na své rezonanční frekvenci(tento režim je také označován jako režim klepání). Tyto konzoly jsou levné a komerčně dostupné.
KPFM může pracovat buď v jednom nebo dvouprůchodovém nastavení. V jednoprůchodovém nastavení hrot prochází přes vzorek v konstantní výšce. Během tohoto průchodu je na konzolu přivedeno střídavé napětí, vytvoření oscilační elektrostatické síly mezi špičkou a vzorkem, který je měřen blokovacím zesilovačem. Stejnosměrné napětí je pak aplikován na null potenciál a tím zabránit konzolové oscilace. Toto použité stejnosměrné napětí je pak mapováno jako měřítko rozdílu kontaktního potenciálu mezi špičkou a vzorkem. Tento potenciální rozdíl může také vyplývat z rozdílu v pracovní funkci mezi špičkou a vzorkem. Výhodou režimu s jedním průchodem je, že špička je blíže vzorku, takže při měření síly Kelvina je vyšší citlivost a rozlišení, ale prostorové rozlišení může trpět. Tato implementace KPFM je také nejrychlejší (neexistuje žádná zpětná vazba na signál z) a také minimalizuje opotřebení hrotu.
v nastavení dual pass, konzola prochází dvakrát přes každý řádek v obraze. Během prvního průchodu je špička v kontaktu se vzorkem, protože mapuje topografii v režimu amplitudové modulace. Hrot se pak nad vzorek pro druhý průchod zvedne o množství předepsané uživatelem (tento parametr výšky zdvihu je optimalizován během každého obrazu a je obvykle několik nebo desítky nanometrů. Optimalizace znamená kompromis mezi tím, že špička je co nejblíže vzorku, aby se zabránilo zbloudilé kapacitě z páky, ale nebyla příliš blízko, aby narazila do vzorku). Tento druhý průchod je podobný nastavení jednoho průchodu popsanému výše: střídavé napětí je přivedeno na sondu při její rezonanční frekvenci, aby bylo možné ji řídit. Toto elektrické ovládání je na rozdíl od piezo ovládání, které se používá k pohonu konzoly pro topografické zobrazování v prvním průchodu. Když je potenciál povrchu vzorku jiný než potenciál sondy, výsledné elektrostatické síly způsobují mechanické oscilace konzoly. Stejnosměrné napětí zvolené potenciální zpětnovazební smyčkou se pak aplikuje na nulu rozdílu potenciálu mezi špičkou a vzorkem, který se zaznamenává jako povrchový potenciál. Pomalá rychlost skenování spojená s měřením dvojitého průchodu může vést k dlouhým dobám pořízení jednoho obrazu v režimu dvojitého průchodu. Tato implementace KPFM však poskytuje nejlepší prostorové rozlišení a tím vynikající korelaci obrazu KPFM s povrchovou topografií. Je možné kvantitativní měření KPFM místní pracovní funkce vzorku. To však vyžaduje model popisující elektrostatické interakce mezi špičkou a vzorkem, jakož i znalost pracovní funkce špičky.
aplikace KPFM
příklad jednoprůchodového měření KPFM je uveden níže na vícevrstvé grafenové vločce. Tyto vločky byly syntetizovány mechanickou exfoliací grafitu a následným přenosem na substrát křemík-oxid křemičitý. 3-dimenzionální 8mm x 8mm topografické mapy grafenu vločka povrchu je znázorněno níže. Zbarvení této topografické mapy představuje signál KPFM nebo obraz kontaktního potenciálu během obrazu. Kontrast, který je fialový nebo růžový, je vysoký kontaktní potenciál, zatímco kontrast, který je zelený, je nízký kontaktní potenciál. Prostřednictvím této mapy kontaktního potenciálu jsou jasně patrné různé elektrické vlastnosti vloček různé tloušťky, protože tenké vločky nahoře mají vysoký kontaktní potenciál (modré zbarvení), zatímco druhá vrstva má nižší kontaktní potenciál(zelené zbarvení). Tyto údaje byly shromážděny CoreAFM.
další příklad dvouprůchodového měření KPFM je uveden níže na izolačním oxidu. V tomto vzorku byly místní náboje umístěny na povrchovou vrstvu izolačního oxidu ve švýcarském křížovém vzoru. Topografický obraz je zobrazen vlevo, kde není žádný náznak švýcarského křížového vzoru. Obrázek KPFM je zobrazen vpravo, kde obraz povrchového potenciálu poskytovaný KPFM jasně odhaluje vzorec nábojů.
kombinace elektrických režimů a mikroskopie magnetické síly je také silná, jak je znázorněno pro nerezovou ocel, která byla zobrazena KPFM a MFM.Kelvinova silová mikroskopie je k dispozici pro produktové řady CoreAFM a FlexAFM.
