Kelvin probe mikroskopi eller Kpfm er ett medlem av en pakke med elektriske karakteriseringsmetoder tilgjengelig i scanning probe mikroskopi for å kartlegge overflatepotensialet eller arbeidsfunksjonen av prøver.
KPFM gir informasjon om kontaktpotensialet eller arbeidsfunksjonen til en prøveoverflate, og gir dermed en kontrastmekanisme relatert til prøvens elektriske egenskaper. Arbeid-funksjon er definert i fast tilstand fysikk som energien som trengs for å fjerne et elektron fra Fermi-nivået i et fast til vakuum; arbeidsfunksjon er dermed en egenskap av overflaten, ikke bulk. DERFOR ER KPFM en overflatesensitiv metode som probes overflaten og nær overflaten bare.
Kelvin probe force mikroskopi opererer i amplitude modulering modus, en type dynamisk kraft modus der en cantilever med en tynn elektrisk ledende belegg drives på sin resonansfrekvens (denne modusen er også referert til som tapping modus). Disse cantilevers er billig og kommersielt tilgjengelig.
KPFM kan operere i enten en enkel eller dobbel pass oppsett. I single-pass-oppsettet passerer spissen over prøven i konstant høyde. EN VEKSELSTRØMSPENNING påføres cantilever under dette passet, og skaper en oscillerende elektrostatisk kraft mellom spiss og prøve, som måles av en låseforsterker. EN LIKESPENNING påføres deretter null potensialet og forhindrer dermed cantilever-svingning. DENNE påførte LIKESPENNINGEN blir deretter kartlagt som et mål på kontaktpotensialforskjellen mellom spiss og prøve. Denne potensielle forskjellen kan også oppstå fra en forskjell i arbeidsfunksjonen mellom tips og prøve. En fordel med single pass-modusen er at spissen er nærmere prøven, slik at det er høyere følsomhet og oppløsning i Kelvin force-måling, men den romlige oppløsningen kan lide. Denne implementeringen AV KPFM er også den raskeste (det er ingen tilbakemelding på z-signalet) og minimerer også spissslitasje.
i dual pass-oppsettet passerer cantilever to ganger over hver linje i bildet. Under det første passet er spissen i kontakt med prøven da den kartlegger topografien i amplitudemoduleringsmodus. Spissen løftes deretter over prøven for det andre passet med en mengde foreskrevet av brukeren (denne løftehøydeparameteren er optimalisert under hvert bilde og er vanligvis noen få eller titalls nanometer. Optimalisering innebærer en avveining mellom å ha spissen så nær prøven som mulig for å unngå bortkommen kapasitans fra spaken, men ikke å være for nær til å krasje inn i prøven). Denne andre pass er lik den enkeltpass oppsett beskrevet ovenfor: VEKSELSTRØMSPENNINGEN påføres sonden ved resonansfrekvensen for å drive den. Denne elektriske aktiveringen er i motsetning til piezo-aktivering som brukes til å kjøre cantilever for topografi avbildning i første pass. Når prøveflatepotensialet er forskjellig fra sondens potensial, forårsaker de resulterende elektrostatiske kreftene mekanisk svingning av cantilever. EN LIKESPENNING valgt gjennom potensiell tilbakemeldingssløyfe blir deretter påført null forskjellen i potensial mellom spiss og prøve, som registreres som overflatepotensialet. En langsom skannehastighet kombinert med dobbeltpassmålinger kan føre til lange oppkjøpstider for et enkelt bilde i dual-pass-modus. Imidlertid gir denne implementeringen AV KPFM den beste romlige oppløsningen og dermed overlegen korrelasjon av KPFM-bildet med overflatetopografi. Kvantitative kpfm-målinger av den lokale prøvearbeidsfunksjonen er mulig. Dette krever imidlertid en modell for å beskrive de elektrostatiske interaksjonene mellom spiss og prøve, samt å vite tippens arbeidsfunksjon.
Applikasjoner AV KPFM
et eksempel på en enkeltpass kpfm-måling er vist nedenfor på en flerlags grafenflake. Disse flakene ble syntetisert ved mekanisk eksfoliering av grafitt og påfølgende overføring til et silisiumdioksydsubstrat. En 3-dimensjonal 8mm x 8mm topografisk kart over graphene flake overflaten er vist nedenfor. Fargingen av dette topografiske kartet representerer kpfm-signalet, eller et bilde av kontaktpotensialet under bildet. Kontrast som er lilla eller rosa er høy kontakt potensial mens kontrast som er grønn er lav kontakt potensial. Gjennom dette kontaktpotensialkartet er de forskjellige elektriske egenskapene til de forskjellige tykkelsesflakene tydelig tydelige da de tynne flakene på toppen har høyt kontaktpotensial (blåfarging) mens det andre laget har et lavere kontaktpotensial (grønn farging). Disse dataene ble samlet inn av En CoreAFM.
Et annet eksempel på en dual pass kpfm-måling er vist nedenfor på et isolerende oksid. I denne prøven ble lokale ladninger plassert på isolerende oksydoverflatelaget i Et Sveitsisk kryssmønster. Topografibildet vises til venstre der Det ikke er noen indikasjon på Noe Sveitsisk kryssmønster. KPFM bildet vises til høyre der overflaten potensielle bildet levert AV KPFM tydelig avslører mønsteret av kostnader.
kombinasjonen av elektriske moduser og magnetisk kraftmikroskopi er også kraftig, som illustrert for rustfritt stål som ble avbildet AV KPFM og MFM.Kelvin probe force mikroskopi er tilgjengelig For CoreAFM og FlexAFM produktlinjer.
