Kelvin probe microscopy lub KPFM jest jednym z członków zestawu metod charakterystyki elektrycznej dostępnych w skaningowej mikroskopii sondy do mapowania potencjału powierzchni lub funkcji pracy próbek.
KPFM dostarcza informacji o potencjale kontaktu lub funkcji roboczej powierzchni próbki, zapewniając w ten sposób mechanizm kontrastu związany z właściwościami elektrycznymi próbki. Funkcja pracy jest definiowana w fizyce Stanów stałych jako energia potrzebna do usunięcia elektronu z poziomu Fermiego w ciele stałym do próżni; funkcja pracy jest więc własnością powierzchni, a nie masy. Dlatego KPFM jest metodą powierzchniowo wrażliwą, która bada tylko powierzchnię i powierzchnię bliską.
mikroskopia siły sondy Kelvina działa w trybie modulacji amplitudy, rodzaju trybu siły dynamicznej, w którym wspornik z cienką powłoką przewodzącą prąd elektryczny jest napędzany z częstotliwością rezonansową (ten tryb jest również określany jako tryb stukania). Wsporniki te są niedrogie i dostępne na rynku.
KPFM może pracować w konfiguracji jedno-lub dwuzakresowej. W konfiguracji jednoprzebiegowej końcówka przechodzi nad próbką na stałej wysokości. Napięcie AC jest przyłożone do wspornika podczas tego przejścia, tworząc oscylującą siłę elektrostatyczną między końcówką a próbką, która jest mierzona przez wzmacniacz blokujący. Następnie stosuje się napięcie DC, aby zniweczyć potencjał, a tym samym zapobiec oscylacji wspornika. To przyłożone napięcie DC jest następnie mapowane jako miara różnicy potencjałów stykowych między końcówką a próbką. Ta różnica potencjałów może również wynikać z różnicy w funkcji pracy między końcówką a próbką. Zaletą trybu jednoprzebiegowego jest to, że końcówka jest bliżej próbki, więc istnieje wyższa czułość i rozdzielczość w pomiarze siły Kelvina, ale rozdzielczość przestrzenna może ucierpieć. Ta implementacja KPFM jest również najszybsza (nie ma sprzężenia zwrotnego na sygnale z), a także minimalizuje zużycie końcówki.
w konfiguracji podwójnego przejścia wspornik przechodzi dwa razy przez każdą linię obrazu. Podczas pierwszego przejścia końcówka styka się z próbką, ponieważ mapuje topografię w trybie modulacji amplitudy. Końcówka jest następnie podnoszona nad próbką w drugim przejściu o ilość określoną przez Użytkownika (ten parametr wysokości podnoszenia jest optymalizowany podczas każdego obrazu i wynosi zazwyczaj kilka lub kilkadziesiąt nanometrów. Optymalizacja pociąga za sobą kompromis między posiadaniem końcówki tak blisko próbki, jak to możliwe, aby uniknąć utraty pojemności od dźwigni, ale nie jest zbyt blisko, aby zderzyć się z próbką). Ten drugi przebieg jest podobny do konfiguracji pojedynczego przebiegu opisanej powyżej: napięcie AC jest przyłożone do sondy z częstotliwością rezonansową w celu jej napędzania. To elektryczne uruchamianie jest w przeciwieństwie do uruchamiania piezoelektrycznego, które jest używane do napędzania wspornika do obrazowania topograficznego w pierwszym przejściu. Gdy potencjał powierzchni próbki jest inny niż potencjał sondy, powstałe siły elektrostatyczne powodują mechaniczne oscylacje wspornika. Napięcie DC wybrane przez potencjalną pętlę sprzężenia zwrotnego jest następnie przykładane do zerowania różnicy potencjału między końcówką a próbką, która jest zapisywana jako potencjał powierzchniowy. Powolna szybkość skanowania w połączeniu z pomiarami z podwójnym przebiegiem może prowadzić do długich czasów akwizycji pojedynczego obrazu w trybie dual-pass. Jednak ta implementacja KPFM zapewnia najlepszą rozdzielczość przestrzenną, a tym samym lepszą korelację obrazu KPFM z topografią powierzchni. Możliwe są ilościowe pomiary KPFM lokalnej funkcji pracy z próbkami. Wymaga to jednak modelu opisującego oddziaływania elektrostatyczne między końcówką a próbką, a także znającego funkcję roboczą końcówki.
zastosowania KPFM
poniżej przedstawiono przykład jednoprzebiegowego pomiaru KPFM na wielowarstwowym płatku grafenu. Płatki te zsyntetyzowano przez mechaniczne złuszczanie grafitu, a następnie przeniesienie do podłoża krzemu-ditlenku krzemu. Poniżej przedstawiono trójwymiarową mapę topograficzną powierzchni płatków grafenu o wymiarach 8 mm x 8 mm. Kolorystyka tej mapy topograficznej przedstawia sygnał KPFM lub obraz potencjału kontaktowego podczas obrazu. Kontrast fioletowy lub różowy to wysoki potencjał kontaktowy, podczas gdy kontrast zielony to niski potencjał kontaktowy. Dzięki tej mapie potencjału kontaktowego różne właściwości elektryczne płatków o różnej grubości są wyraźnie widoczne, ponieważ cienkie płatki na górze mają wysoki potencjał kontaktowy (niebieskie zabarwienie), podczas gdy druga warstwa ma niższy potencjał kontaktowy (zielone zabarwienie). Dane te zostały zebrane przez CoreAFM.
kolejny przykład pomiaru dwuprzebiegowego KPFM przedstawiono poniżej na tlenku izolacyjnym. W tej próbce lokalne ładunki zostały umieszczone na wierzchniej warstwie tlenku izolacyjnego w szwajcarskim układzie krzyżowym. Obraz topograficzny jest pokazany po lewej stronie, gdzie nie ma śladu szwajcarskiego wzoru krzyża. Obraz KPFM jest pokazany po prawej stronie, gdzie obraz potencjału powierzchniowego dostarczony przez KPFM wyraźnie ujawnia wzór opłat.
połączenie trybów elektrycznych i mikroskopii sił magnetycznych jest również potężne, jak pokazano dla stali nierdzewnej, która została zobrazowana przez KPFM i MFM.Mikroskopia siły sondy Kelvina jest dostępna dla linii produktów CoreAFM i FlexAFM.
