Kelvin probe microscopy eller KPFM er et medlem af en række elektriske karakteriseringsmetoder, der er tilgængelige i scanning probe microscopy for at kortlægge prøvernes overfladepotentiale eller arbejdsfunktion.
KPFM giver information om kontaktpotentialet eller arbejdsfunktionen på en prøveoverflade og tilvejebringer således en kontrastmekanisme relateret til prøveens elektriske egenskaber. Arbejdsfunktion er defineret i faststoffysik som den energi, der er nødvendig for at fjerne en elektron fra Fermi-niveauet i et fast stof til vakuum; arbejdsfunktion er således en egenskab af overfladen, ikke massen. Derfor er KPFM en overfladefølsom metode, der kun undersøger overfladen og nær overfladen.
Kelvin probe force microscopy fungerer i amplitudemoduleringstilstand, en type dynamisk krafttilstand, hvor en udkragning med en tynd elektrisk ledende belægning drives ved dens resonansfrekvens (denne tilstand kaldes også tappetilstand). Disse cantilevers er billige og kommercielt tilgængelige.
KPFM kan fungere i enten en enkelt eller dobbelt pass opsætning. I single-pass-opsætningen passerer spidsen over prøven i konstant højde. En vekselstrømsspænding påføres cantilever under dette pass, hvilket skaber en oscillerende elektrostatisk kraft mellem spids og prøve, som måles af en lock-in forstærker. En jævnspænding påføres derefter for at nulstille potentialet og forhindrer således cantilever-svingning. Denne anvendte jævnspænding kortlægges derefter som et mål for kontaktpotentialeforskellen mellem spids og prøve. Denne potentielle forskel kan også opstå som følge af en forskel i arbejdsfunktion mellem tip og prøve. En fordel ved single pass-tilstand er, at spidsen er tættere på prøven, så der er højere følsomhed og opløsning i Kelvin-kraftmålingen, men den rumlige opløsning kan lide. Denne implementering af KPFM er også den hurtigste (der er ingen feedback på signalet) og minimerer også tipslitage.
i dual pass-opsætningen passerer cantilever to gange over hver linje i billedet. Under den første passage er spidsen i kontakt med prøven, da den kortlægger topografien i amplitudemoduleringstilstand. Spidsen løftes derefter over prøven til det andet pass med et beløb, der er foreskrevet af brugeren (denne løftehøjdeparameter er optimeret under hvert billede og er typisk et par eller Titus nanometer. Optimering indebærer en afvejning mellem at have spidsen så tæt på prøven som muligt for at undgå omstrejfende kapacitans fra håndtaget, men ikke være for tæt på at gå ned i prøven). Dette andet pas svarer til den ovenfor beskrevne enkeltpasopsætning: vekselstrømsspændingen påføres sonden ved dens resonansfrekvens for at drive den. Denne elektriske aktivering er i modsætning til pieso-aktivering, der bruges til at køre cantilever til topografiafbildning i første pas. Når prøveoverfladepotentialet er anderledes end sondens potentiale, forårsager de resulterende elektrostatiske kræfter mekanisk svingning af cantilever. En DC-spænding valgt gennem potentiel feedback loop påføres derefter for at nulstille forskellen i potentiale mellem spids og prøve, som registreres som overfladepotentialet. En langsom scanningshastighed kombineret med dobbeltpasmålingerne kan føre til lange anskaffelsestider for et enkelt billede i dual-pass-tilstand. Imidlertid, denne implementering af KPFM giver den bedste rumlige opløsning og dermed overlegen korrelation af KPFM-billedet med overfladetopografi. Kvantitative kpfm-målinger af den lokale prøvearbejdsfunktion er mulig. Dette kræver dog en model til at beskrive de elektrostatiske interaktioner mellem tip og prøve samt kende spidsens arbejdsfunktion.
anvendelser af KPFM
et eksempel på en enkelt pass kpfm-måling er vist nedenfor på en flerlags grafenflake. Disse flager blev syntetiseret ved mekanisk eksfoliering af grafit og efterfølgende overførsel til et silicium-siliciumsubstrat. En 3-dimensionel 8mm * 8mm topografisk kort over grafen flake overflade er vist nedenfor. Farvningen af dette topografiske kort repræsenterer kpfm-signalet eller et billede af kontaktpotentialet under billedet. Kontrast, der er lilla eller lyserød, er højt kontaktpotentiale, mens kontrast, der er grøn, er lavt kontaktpotentiale. Gennem dette kontaktpotentialekort er de forskellige elektriske egenskaber af de forskellige tykkelsesflager tydeligt tydelige, da de tynde flager på toppen har et højt kontaktpotentiale (blå farve), mens det andet lag har et lavere kontaktpotentiale (grøn farve). Disse data blev indsamlet af en CoreAFM.
et andet eksempel på en kpfm-måling med dobbeltpas er vist nedenfor. I denne prøve blev der anbragt lokale ladninger på det isolerende ilteoverfladelag i et svensk Krydsmønster. Topografibilledet vises til venstre, hvor der ikke er tegn på noget Svensk Krydsmønster. Kpfm-billedet vises til højre, hvor det overfladepotentielle billede, der leveres af KPFM, tydeligt afslører ladningsmønsteret.
kombinationen af elektriske tilstande og magnetisk kraftmikroskopi er også kraftig, som illustreret for rustfrit stål, der blev afbildet af KPFM og MFM.Kelvin probe force mikroskopi er tilgængelig for CoreAFM og Fleksafm produktlinjer.
