Kelvin probe microscopy tai KPFM on yksi osa sähköisiä karakterisointimenetelmiä, jotka ovat käytettävissä skannausmikroskopiassa näytteiden pinnan potentiaalin tai työtehtävän kartoittamiseksi.
KPFM antaa tietoa näytteen pinnan kosketuspotentiaalista tai työtoiminnasta, jolloin saadaan näytteen sähköisiin ominaisuuksiin liittyvä kontrastimekanismi. Työfunktio määritellään kiinteän olomuodon fysiikassa energiaksi, joka tarvitaan elektronin poistamiseen Fermi-tasolta kiinteässä tyhjiössä; työfunktio on siis pinnan, ei bulkin ominaisuus. Siksi KPFM on pinnanherkkä menetelmä, joka luotaa vain pintaa ja lähipintaa.
Kelvin-koettimen voimamikroskopia toimii amplitudimodulaatiotilassa, joka on eräänlainen dynaaminen voimatila, jossa ohuen sähköä johtavan pinnoitteen kanttilevyä ajetaan resonanssitaajuudella (tätä moodia kutsutaan myös taputustilaksi). Nämä cantilevers ovat edullisia ja kaupallisesti saatavilla.
KPFM voi toimia joko yksi-tai dual pass-järjestelmällä. Yhden syötön asetelmassa kärki kulkee näytteen yli tasaisella korkeudella. Tämän läpimenon aikana cantileveriin kohdistetaan vaihtovirtajännite, joka luo kärjen ja näytteen välille värähtelevän sähköstaattisen voiman, joka mitataan lukittuvalla vahvistimella. Tasajännite on sitten sovellettu nollata potentiaali ja siten estää cantilever värähtely. Tämä sovellettu tasajännite kartoitetaan sitten kärjen ja näytteen välisen kosketuspotentiaalieron mittana. Tämä potentiaaliero voi syntyä myös kärjen ja näytteen välisestä työtehtävien erosta. Yhden syötön tilan etuna on, että kärki on lähempänä näytettä, joten Kelvin-voimamittauksessa herkkyys ja resoluutio ovat suuremmat, mutta spatiaalinen resoluutio voi kärsiä. Tämä toteutus KPFM on myös nopein (ei ole palautetta Z signaali) ja myös minimoi kärki kulumista.
kaksoispassiasennuksessa uloke kulkee kaksi kertaa kuvan jokaisen viivan yli. Ensimmäisen syötön aikana kärki on kosketuksissa näytteeseen, kun se kartoittaa topografiaa amplitudimodulaatiotilassa. Tämän jälkeen kärki nostetaan näytteen päälle toista ohitusta varten käyttäjän määräämällä määrällä (tämä nostokorkeusparametri on optimoitu jokaisen kuvan aikana ja on tyypillisesti muutamia tai kymmeniä nanometrejä. Optimointi edellyttää kompromissi ottaa kärki niin lähellä näytettä kuin mahdollista välttää hajakapasitanssi vivusta, mutta ei ole liian lähellä törmätä näyte). Tämä toinen pass on samanlainen kuin yhden pass setup kuvattu edellä: vaihtovirtajännite syötetään anturiin sen resonanssitaajuudella sen ajamiseksi. Tämä sähköinen aktuaatio on vastakohta piezo-aktuaatiolle, jota käytetään cantileverin kuljettamiseen topografian kuvantamiseen ensimmäisellä syötöllä. Kun näytteen pinnan potentiaali on erilainen kuin anturin potentiaali, syntyvät sähköstaattiset voimat aiheuttavat kantalevyn mekaanisen värähtelyn. Potentiaalisen takaisinkytkentäsilmukan kautta valittu tasajännite asetetaan nollaan kärjen ja näytteen välisen potentiaalieron, joka kirjataan pintapotentiaaliksi. Hidas skannausnopeus yhdistettynä kaksoispäästömittauksiin voi johtaa pitkiin yhden kuvan hankinta-aikoihin dual-pass-tilassa. Tämä kpfm: n toteutus tarjoaa kuitenkin parhaan spatiaalisen erottelukyvyn ja siten kpfm: n kuvan paremman korrelaation pinnan topografian kanssa. Paikallisen näytetyöfunktion kvantitatiiviset kpfm-mittaukset ovat mahdollisia. Tämä edellyttää kuitenkin mallia, joka kuvaa kärjen ja näytteen sähköstaattisia vuorovaikutuksia sekä tuntee kärjen työtehtävän.
Kpfm: n Sovellukset
alla on esimerkki yhden syötön kpfm-mittauksesta monikerroksisella grafeenihiutaleella. Nämä hiutaleet syntetisoitiin mekaanisella grafiitin kuorinnalla ja sen jälkeen siirrolla pii-piidioksidi-substraatille. Alla on 3-ulotteinen 8mm x 8mm topografinen kartta grafeenihiutalepinnasta. Tämän topografisen kartan väritys edustaa kpfm-signaalia eli kuvaa kuvan aikaisesta kosketuspotentiaalista. Kontrasti, joka on violetti tai vaaleanpunainen, on suuri kosketuspotentiaali, kun taas kontrasti, joka on vihreä, on alhainen kosketuspotentiaali. Tämän kosketuspotentiaalikartan kautta eri paksuisten hiutaleiden erilaiset sähköiset ominaisuudet näkyvät selvästi, sillä ohuilla hiutaleilla on suuri kosketuspotentiaali (sininen väritys), kun taas toisella kerroksella on pienempi kosketuspotentiaali (vihreä väritys). Nämä tiedot keräsi CoreAFM.
toinen esimerkki kaksipäästöisestä kpfm-mittauksesta on alla eristysoksidilla. Tässä näytteessä eristävän oksidipintakerroksen päälle asetettiin paikallisia varauksia sveitsiläisellä ristikuviolla. Pinnanmuodostuskuva näkyy vasemmalla puolella, jossa ei ole viitteitä mistään sveitsiläisestä ristikuviosta. Kpfm-kuva näkyy oikealla kohdassa, jossa kpfm: n tarjoama pintapotentiaalikuva paljastaa selvästi latausten kuvion.
sähkötilojen ja magneettisen voimamikroskopian yhdistelmä on myös tehokas, kuten kpfm: n ja MFM: n kuvaama ruostumaton teräs osoittaa.Kelvin probe force microscopy on saatavilla CoreAFM-ja FlexAFM-tuotelinjoille.
