Kelvin probe microscopy of Kpfm is een onderdeel van een reeks elektrische karakterisatiemethoden die beschikbaar zijn in scanning probe microscopy om de oppervlaktepotentiaal of werkfunctie van monsters in kaart te brengen.
KPFM geeft informatie over het contactpotentiaal of de werkfunctie van een monsteroppervlak, waardoor een contrastmechanisme ontstaat dat gerelateerd is aan de elektrische eigenschappen van het monster. Werk-functie wordt gedefinieerd in de fysica van vaste Staten als de energie die nodig is om een elektron van het Fermi-niveau in een vaste naar vacuüm te verwijderen; werk-functie is dus een eigenschap van het oppervlak, niet de bulk. Daarom is KPFM een oppervlaktegevoelige methode die alleen het oppervlak en de nabijheid van het oppervlak sondeert.
Kelvin-sondekrachtmicroscopie werkt in de amplitudemodulatiemodus, een type dynamische krachtmodus waarbij een cantilever met een dunne elektrisch geleidende coating wordt aangedreven met de resonantiefrequentie (deze modus wordt ook tapmodus genoemd). Deze cantilevers zijn goedkoop en commercieel verkrijgbaar.
KPFM kan werken in een enkele of dubbele pass setup. In de single-pass opstelling, de tip gaat over het monster op een constante hoogte. Een wisselspanning wordt toegepast op de cantilever tijdens deze passage, waardoor een oscillerende elektrostatische kracht tussen tip en monster, die wordt gemeten door een lock-in versterker. Een gelijkspanning wordt dan toegepast om de potentiaal te null En zo cantilever oscillatie te voorkomen. Deze toegepaste gelijkstroomspanning wordt dan in kaart gebracht als een maat voor het contactpotentiaal verschil tussen tip en monster. Dit potentiële verschil kan ook het gevolg zijn van een verschil in werkfunctie tussen tip en monster. Een voordeel van de enige paswijze is dat het uiteinde dichter bij de steekproef is zodat zijn er hogere gevoeligheid en resolutie in de meting van de Kelvinkracht, maar de ruimteresolutie kan lijden. Deze implementatie van KPFM is ook de snelste (er is geen feedback op het Z-signaal) en minimaliseert ook tip slijtage.
in de dual pass-instelling passeert de cantilever tweemaal elke regel in de afbeelding. Tijdens de eerste pass, de tip is in contact met het monster als het in kaart brengt de topografie in amplitudemodulatie modus. De tip wordt dan opgetild over het monster voor de tweede pas door een door de gebruiker voorgeschreven hoeveelheid (deze hefhoogte parameter wordt geoptimaliseerd tijdens elk beeld en is meestal een paar of tientallen nanometers. Optimalisatie houdt een trade-off in tussen het hebben van de tip zo dicht mogelijk bij het monster om verdwaalde capaciteit van de hendel te voorkomen, maar niet te dicht om in het monster te crashen). Deze tweede pas is vergelijkbaar met de single pass setup hierboven beschreven: de AC spanning wordt toegepast op de sonde op zijn resonantiefrequentie om het aan te drijven. Deze elektrische aandrijving is in tegenstelling tot piëzo-aandrijving die wordt gebruikt om de cantilever voor topografie beeldvorming in de eerste doorgang aan te drijven. Wanneer het potentieel van de steekproefoppervlakte anders is dan het potentieel van de sonde, veroorzaken de resulterende elektrostatische krachten mechanische oscillatie van de cantilever. Een gelijkspanning gekozen door potentiaalfeedback lus wordt dan toegepast op nul het verschil in potentiaalverschil tussen tip en monster, die wordt geregistreerd als de oppervlakte potentiaalverschil. Een langzame scansnelheid in combinatie met de double-pass-metingen kan leiden tot lange acquisitietijden voor een enkel beeld in de dual-pass-modus. Deze implementatie van KPFM biedt echter wel de beste ruimtelijke resolutie en dus superieure correlatie van het kpfm-beeld met oppervlaktetopografie. Kwantitatieve kpfm metingen van de lokale sample work functie zijn mogelijk. Nochtans, vereist dit een model om de elektrostatische interactie tussen tip en steekproef te beschrijven evenals het kennen van de het werkfunctie van de tip.
toepassingen van KPFM
een voorbeeld van een enkelvoudige kpfm-meting wordt hieronder weergegeven op een meerlaagse grafeenvlok. Deze vlokken werden gesynthetiseerd door mechanische afschilfering van grafiet en vervolgens overgebracht naar een silicium-silicium dioxide substraat. Een 3-dimensionale 8mm x 8mm topografische kaart van het oppervlak van de grafeenvlok is hieronder weergegeven. De kleur van deze topografische kaart vertegenwoordigt het kpfm-signaal, of een afbeelding van het contactpotentieel tijdens de afbeelding. Contrast dat paars of roze is hoog contactpotentieel terwijl contrast dat groen is laag contactpotentieel is. Door middel van deze contactpotentiaal kaart, de verschillende elektrische eigenschappen van de verschillende dikte vlokken duidelijk zichtbaar als de dunne vlokken op de top hebben een hoge contact potentiaal (blauwe kleuring) terwijl de andere laag heeft een lagere contact potentiaal (groene kleuring). Deze gegevens werden verzameld door een CoreAFM.
een ander voorbeeld van een dual-pass KPFM-meting wordt hieronder weergegeven op een isolatieoxide. In dit monster werden lokale heffingen op de isolerende oxide oppervlaktelaag geplaatst in een Zwitsers kruispatroon. De topografische afbeelding is aan de linkerkant te zien, waar geen indicatie is van een Zwitsers Kruis patroon. Het KPFM-beeld wordt rechts getoond, waar het door KPFM geleverde oppervlakte-potentiaalbeeld het patroon van de ladingen duidelijk zichtbaar maakt.
de combinatie van elektrische modi en magnetische krachtmicroscopie is ook krachtig, zoals geïllustreerd voor roestvrij staal dat werd afgebeeld door KPFM en MFM.Kelvin sonde krachtmicroscopie is beschikbaar voor de productlijnen CoreAFM en FlexAFM.
