La microscopía de sonda Kelvin o KPFM es un miembro de un conjunto de métodos de caracterización eléctrica disponibles en la microscopía de sonda de barrido para mapear el potencial de superficie o la función de trabajo de las muestras.
KPFM proporciona información sobre el potencial de contacto o la función de trabajo de una superficie de muestra, proporcionando así un mecanismo de contraste relacionado con las propiedades eléctricas de la muestra. La función de trabajo se define en la física de estados sólidos como la energía necesaria para eliminar un electrón del nivel de Fermi en un sólido al vacío; la función de trabajo es, por lo tanto, una propiedad de la superficie, no del volumen. Por lo tanto, KPFM es un método sensible a la superficie que sondea solo la superficie y cerca de la superficie.
La microscopía de fuerza de sonda Kelvin funciona en modo de modulación de amplitud, un tipo de modo de fuerza dinámica en el que un voladizo con un revestimiento fino conductor de electricidad se acciona a su frecuencia de resonancia (este modo también se conoce como modo de roscado). Estos voladizos son baratos y están disponibles comercialmente.
KPFM puede funcionar en una configuración de paso único o doble. En la configuración de una sola pasada, la punta pasa sobre la muestra a una altura constante. Se aplica un voltaje de CA al voladizo durante este paso, creando una fuerza electrostática oscilante entre la punta y la muestra, que se mide mediante un amplificador de bloqueo. A continuación, se aplica una tensión de CC para anular el potencial y evitar así la oscilación en voladizo. Este voltaje de CC aplicado se mapea como una medida de la diferencia de potencial de contacto entre la punta y la muestra. Esta diferencia de potencial también puede surgir de una diferencia en la función de trabajo entre la punta y la muestra. Una ventaja del modo de paso único es que la punta está más cerca de la muestra, por lo que hay una mayor sensibilidad y resolución en la medición de la fuerza Kelvin, pero la resolución espacial puede verse afectada. Esta implementación de KPFM también es la más rápida (no hay retroalimentación en la señal z) y también minimiza el desgaste de la punta.
En la configuración de doble paso, el voladizo pasa dos veces por cada línea de la imagen. Durante la primera pasada, la punta está en contacto con la muestra a medida que mapea la topografía en modo de modulación de amplitud. La punta se eleva luego sobre la muestra para la segunda pasada en una cantidad prescrita por el usuario (este parámetro de altura de elevación se optimiza durante cada imagen y generalmente es de unos pocos o decenas de nanómetros. La optimización implica un compromiso entre tener la punta lo más cerca posible de la muestra para evitar la capacitancia perdida de la palanca, pero no estar demasiado cerca como para chocar con la muestra). Este segundo pase es similar a la configuración de un solo pase descrita anteriormente: la tensión de CA se aplica a la sonda a su frecuencia de resonancia para accionarla. Esta actuación eléctrica contrasta con la actuación piezoeléctrica que se utiliza para impulsar el voladizo para la obtención de imágenes topográficas en la primera pasada. Cuando el potencial de la superficie de la muestra es diferente del potencial de la sonda, las fuerzas electrostáticas resultantes causan oscilación mecánica del voladizo. Un voltaje de CC elegido a través del bucle de retroalimentación de potencial se aplica a cero la diferencia de potencial entre la punta y la muestra, que se registra como el potencial de superficie. Una velocidad de escaneo lenta junto con las mediciones de doble pasada puede dar lugar a largos tiempos de adquisición de una sola imagen en el modo de doble pasada. Sin embargo, esta implementación de KPFM proporciona la mejor resolución espacial y, por lo tanto, una correlación superior de la imagen de KPFM con la topografía de la superficie. Es posible realizar mediciones cuantitativas KPFM de la función de trabajo de muestra local. Sin embargo, esto requiere un modelo para describir las interacciones electrostáticas entre la punta y la muestra, así como conocer la función de trabajo de la punta.
Aplicaciones de KPFM
A continuación se muestra un ejemplo de medición de KPFM de una sola pasada en una escama de grafeno multicapa. Estas escamas se sintetizaron mediante exfoliación mecánica de grafito y posterior transferencia a un sustrato de dióxido de silicio-silicio. A continuación se muestra un mapa topográfico tridimensional de 8 mm x 8 mm de la superficie de escamas de grafeno. El color de este mapa topográfico representa la señal KPFM, o una imagen del potencial de contacto durante la imagen. El contraste que es púrpura o rosado es un potencial de contacto alto, mientras que el contraste que es verde es un potencial de contacto bajo. A través de este mapa de potencial de contacto, las diferentes propiedades eléctricas de las escamas de diferentes espesores son claramente evidentes, ya que las escamas delgadas en la parte superior tienen un alto potencial de contacto (color azul), mientras que la otra capa tiene un potencial de contacto más bajo (color verde). Estos datos fueron recogidos por un CoreAFM.
A continuación se muestra otro ejemplo de medición KPFM de doble paso en un óxido aislante. En esta muestra, se colocaron cargas locales en la capa de superficie de óxido aislante en un patrón cruzado suizo. La imagen topográfica se muestra a la izquierda, donde no hay indicios de ningún patrón de cruz suiza. La imagen de KPFM se muestra a la derecha, donde la imagen de potencial de superficie proporcionada por KPFM revela claramente el patrón de cargas.
La combinación de modos eléctricos y microscopía de fuerza magnética también es potente, como se ilustra para el acero inoxidable que fue fotografiado por KPFM y MFM.La microscopía de fuerza de sonda Kelvin está disponible para las líneas de productos CoreAFM y FlexAFM.
