a Kelvin szonda mikroszkópia vagy a Kpfm a pásztázó szonda mikroszkópiában elérhető elektromos jellemzési módszerek egyik tagja a minták felületi potenciáljának vagy munkafunkciójának feltérképezésére.
a KPFM információt nyújt a mintafelület érintkezési potenciáljáról vagy munkafunkciójáról, ezáltal a minta elektromos tulajdonságaihoz kapcsolódó kontrasztmechanizmust biztosít. A munka-függvényt a szilárd állapotú fizikában úgy definiálják, mint az elektron Fermi-szintről történő eltávolításához szükséges energiát szilárd anyagban vákuumba; a munkafunkció tehát a felület tulajdonsága, nem pedig az ömlesztett anyag. Ezért a KPFM egy felületérzékeny módszer, amely csak a felületet és a felületközeli felületeket vizsgálja.
a Kelvin szonda erőmikroszkópia amplitúdómodulációs módban működik, egy olyan típusú dinamikus erőmódban, ahol egy vékony elektromosan vezető bevonattal ellátott konzol rezonancia frekvenciáján van meghajtva (ezt az üzemmódot csapolási módnak is nevezik). Ezek a konzolok olcsók és kereskedelmi forgalomban kaphatók.
a KPFM egy-vagy kétlépcsős beállításban is működhet. Az egylépéses beállításnál a csúcs állandó magasságban halad át a mintán. Ez alatt az átadás alatt váltakozó feszültség kerül a konzolra, amely oszcilláló elektrosztatikus erőt hoz létre a csúcs és a minta között, amelyet egy reteszelő erősítő mér. Ezután egyenfeszültséget alkalmaznak a potenciál nullájára, így megakadályozzák a konzolos oszcillációt. Ezt az alkalmazott egyenáramú feszültséget ezután leképezzük a csúcs és a minta közötti érintkezési potenciálkülönbség mértékeként. Ez a potenciális különbség a tip és a minta közötti munkafunkció különbségéből is származhat. Az egylépéses üzemmód előnye, hogy a csúcs közelebb van a mintához, így a Kelvin-erőmérésnél nagyobb az érzékenység és a felbontás, de a térbeli felbontás szenvedhet. A kpfm ilyen megvalósítása szintén a leggyorsabb (Nincs visszajelzés a z jelről), és minimalizálja a csúcskopást is.
a dual pass beállításban a konzol kétszer halad át a kép minden során. Az első lépés során a csúcs érintkezik a mintával, amikor feltérképezi a topográfiát amplitúdó modulációs módban. A hegyet ezután a felhasználó által előírt mennyiséggel felemelik a mintára a második lépéshez (ez az emelési magasság paraméter minden képnél optimalizálva van, jellemzően néhány vagy tíz nanométer. Az optimalizálás kompromisszumot jelent abban, hogy a csúcs a lehető legközelebb legyen a mintához, hogy elkerülje a karból származó kóbor kapacitást, de ne legyen túl közel ahhoz, hogy a mintába ütközhessen). Ez a második lépés hasonló a fent leírt egylépéses beállításhoz: az AC feszültséget a szondára rezonancia frekvenciáján alkalmazzák annak meghajtása érdekében. Ez az Elektromos működtetés ellentétben áll a piezo működtetéssel, amelyet a konzol meghajtására használnak topográfiai képalkotáshoz az első lépésben. Ha a minta felületi potenciálja eltér a szonda potenciáljától, akkor a kapott elektrosztatikus erők a konzol mechanikai rezgését okozzák. A potenciális visszacsatolási hurkon keresztül választott egyenáramú feszültséget ezután a csúcs és a minta közötti potenciálkülönbség nullázására alkalmazzák, amelyet felületi potenciálként rögzítenek. A lassú letapogatási sebesség párosul a double pass mérések vezethet hosszú felvételi idő egy képet a dual-pass módban. A KPFM ezen implementációja azonban a legjobb térbeli felbontást biztosítja, és így a kpfm képnek a felületi topográfiával való jobb korrelációját biztosítja. A helyi mintamunkafunkció kvantitatív kpfm mérése lehetséges. Ehhez azonban szükség van egy modellre, amely leírja a csúcs és a minta közötti elektrosztatikus kölcsönhatásokat, valamint ismeri a csúcs munkafunkcióját.
a KPFM alkalmazásai
az alábbiakban egy egylépéses KPFM-mérés példáját mutatjuk be egy többrétegű grafénpehelyen. Ezeket a pelyheket grafit mechanikus hámlasztásával szintetizálták, majd ezt követően Szilícium-szilícium-dioxid szubsztrátumra továbbították. Az alábbiakban látható a grafénpehely felületének 3 dimenziós 8 mm x 8 mm-es topográfiai térképe. Ennek a topográfiai térképnek a színezése a KPFM jelet vagy a kép alatti érintkezési potenciál képét képviseli. A lila vagy rózsaszín kontraszt magas érintkezési potenciállal rendelkezik, míg a zöld kontraszt alacsony érintkezési potenciállal rendelkezik. Ezen az érintkezési potenciáltérképen keresztül a különböző vastagságú pelyhek különböző elektromos tulajdonságai egyértelműen nyilvánvalóak, mivel a tetején lévő vékony pelyhek nagy érintkezési potenciállal rendelkeznek (kék színezés), míg a másik réteg alacsonyabb érintkezési potenciállal rendelkezik (zöld színezés). Ezeket az adatokat egy CoreAFM gyűjtötte.
egy másik példa a dual pass kpfm mérés az alábbiakban egy szigetelő oxid. Ebben a mintában, helyi töltéseket helyeztünk a szigetelő oxid felületi rétegre Svájci keresztmintában. A topográfiai kép a bal oldalon látható, ahol nincs utalás Svájci keresztmintára. A KPFM kép a jobb oldalon látható, ahol a kpfm által biztosított felületi potenciálkép egyértelműen feltárja a töltések mintázatát.
az elektromos üzemmódok és a mágneses erő mikroszkópia kombinációja szintén erőteljes, amint azt a kpfm és az MFM által ábrázolt rozsdamentes acél is mutatja.Kelvin Probe force mikroszkópia áll rendelkezésre a CoreAFM és FlexAFM termékcsaládokhoz.
