Kelvin probe microscopia o KPFM è un membro di una suite di metodi di caratterizzazione elettrica disponibili in microscopia sonda a scansione per mappare il potenziale di superficie o la funzione di lavoro dei campioni.
KPFM fornisce informazioni sul potenziale di contatto o sulla funzione di lavoro di una superficie del campione, fornendo così un meccanismo di contrasto relativo alle proprietà elettriche del campione. La funzione di lavoro è definita nella fisica degli stati solidi come l’energia necessaria per rimuovere un elettrone dal livello di Fermi in un solido al vuoto; la funzione di lavoro è quindi una proprietà della superficie, non della massa. Pertanto KPFM è un metodo sensibile alla superficie che sonda solo la superficie e la superficie vicina.
La microscopia a forza della sonda Kelvin funziona in modalità di modulazione di ampiezza, un tipo di modalità di forza dinamica in cui un cantilever con un sottile rivestimento elettricamente conduttivo è guidato alla sua frequenza di risonanza (questa modalità è anche indicata come modalità di maschiatura). Questi cantilever sono economici e disponibili in commercio.
KPFM può operare in una configurazione a passaggio singolo o doppio. Nella configurazione a passaggio singolo, la punta passa sopra il campione ad un’altezza costante. Una tensione CA viene applicata al cantilever durante questo passaggio, creando una forza elettrostatica oscillante tra punta e campione, che viene misurata da un amplificatore lock-in. Una tensione CONTINUA viene quindi applicata per annullare il potenziale e quindi impedire l’oscillazione a sbalzo. Questa tensione CC applicata viene quindi mappata come misura della differenza di potenziale di contatto tra punta e campione. Questa differenza potenziale può anche derivare da una differenza nella funzione di lavoro tra punta e campione. Un vantaggio della modalità a passaggio singolo è che la punta è più vicina al campione, quindi c’è una maggiore sensibilità e risoluzione nella misurazione della forza Kelvin, ma la risoluzione spaziale potrebbe risentirne. Questa implementazione di KPFM è anche la più veloce (non c’è feedback sul segnale z) e riduce al minimo l’usura della punta.
Nella configurazione a doppio passaggio, il cantilever passa due volte su ogni riga dell’immagine. Durante il primo passaggio, la punta è in contatto con il campione in quanto mappa la topografia in modalità di modulazione di ampiezza. La punta viene quindi sollevata sul campione per il secondo passaggio da una quantità prescritta dall’utente (questo parametro di altezza di sollevamento è ottimizzato durante ogni immagine ed è in genere pochi o decine di nanometri. L’ottimizzazione comporta un compromesso tra avere la punta il più vicino possibile al campione per evitare la capacità vagante dalla leva ma non essere troppo vicina per schiantarsi nel campione). Questo secondo passaggio è simile alla configurazione a passaggio singolo descritta sopra: la tensione CA viene applicata alla sonda alla sua frequenza di risonanza per guidarla. Questo azionamento elettrico è in contrasto con l’azionamento piezoelettrico che viene utilizzato per guidare il cantilever per l’imaging topografico nel primo passaggio. Quando il potenziale di superficie del campione è diverso dal potenziale della sonda, le forze elettrostatiche risultanti causano l’oscillazione meccanica del cantilever. Una tensione CONTINUA scelta attraverso il ciclo di feedback potenziale viene quindi applicata a zero la differenza di potenziale tra punta e campione, che viene registrata come potenziale di superficie. Una velocità di scansione lenta associata alle misurazioni a doppio passaggio può portare a tempi di acquisizione lunghi per una singola immagine in modalità a doppio passaggio. Tuttavia, questa implementazione di KPFM fornisce la migliore risoluzione spaziale e quindi una correlazione superiore dell’immagine KPFM con la topografia superficiale. È possibile effettuare misurazioni quantitative KPFM della funzione di lavoro campione locale. Tuttavia, ciò richiede un modello per descrivere le interazioni elettrostatiche tra punta e campione oltre a conoscere la funzione di lavoro della punta.
Applicazioni di KPFM
Un esempio di misurazione KPFM a passaggio singolo è mostrato di seguito su un fiocco di grafene multistrato. Questi fiocchi sono stati sintetizzati mediante esfoliazione meccanica della grafite e successivo trasferimento ad un substrato di biossido di silicio-silicio. Una mappa topografica 3-dimensionale 8mm x 8mm della superficie del fiocco di grafene è mostrata sotto. La colorazione di questa mappa topografica rappresenta il segnale KPFM, o un’immagine del potenziale di contatto durante l’immagine. Contrasto che è viola o rosa è alto potenziale di contatto, mentre il contrasto che è verde è basso potenziale di contatto. Attraverso questa mappa del potenziale di contatto, le diverse proprietà elettriche dei diversi fiocchi di spessore sono chiaramente evidenti in quanto i fiocchi sottili sulla parte superiore hanno un alto potenziale di contatto (colorazione blu) mentre l’altro strato ha un potenziale di contatto inferiore (colorazione verde). Questi dati sono stati raccolti da un CoreAFM.
Un altro esempio di misurazione KPFM a doppio passaggio è mostrato di seguito su un ossido isolante. In questo campione, le tasse locali sono state collocate sullo strato superficiale di ossido isolante secondo uno schema a croce svizzera. L’immagine topografica è mostrata a sinistra dove non vi è alcuna indicazione di un modello di croce svizzera. L’immagine KPFM è mostrata a destra dove l’immagine potenziale di superficie fornita da KPFM rivela chiaramente il modello di cariche.
La combinazione di modalità elettriche e microscopia a forza magnetica è anche potente, come illustrato per l’acciaio inossidabile che è stato ripreso da KPFM e MFM.La microscopia a forza sonda Kelvin è disponibile per le linee di prodotti CoreAFM e FlexAFM.
