Kelvin probe microscopy ou KPFM é um membro de um conjunto de caracterização elétrica de métodos disponíveis na microscopia de varredura por sonda para mapear o potencial de superfície ou de trabalho ou de amostras.O KPFM fornece informações sobre o potencial de contato ou a função de trabalho de uma superfície de amostra, fornecendo assim um mecanismo de contraste relacionado às propriedades elétricas da amostra. A função de trabalho é definida na física dos estados sólidos como a energia necessária para remover um elétron do nível de Fermi em um sólido ao vácuo; a função de trabalho é, portanto, uma propriedade da superfície, não do volume. Portanto, o KPFM é um método sensível à superfície que sonda apenas a superfície e a superfície próxima.
a microscopia da força da ponta de prova de Kelvin opera-se no modo da modulação da amplitude, um tipo de modo dinâmico da força onde um modilhão com um revestimento eletricamente condutor fino é conduzido em sua frequência da ressonância (este modo é referido igualmente como o modo de batida). Esses cantilevers são baratos e comercialmente disponíveis.
KPFM pode operar em uma única ou configuração de passagem dupla. Na configuração de passagem única, a ponta passa sobre a amostra a uma altura constante. Uma tensão CA é aplicada ao cantilever durante esta passagem, criando uma força eletrostática oscilante entre a ponta e a amostra, que é medida por um amplificador de bloqueio. Uma tensão DC é então aplicada para null o potencial e, assim, evitar oscilação cantilever. Esta tensão DC aplicada é então mapeada como uma medida da diferença de potencial de contato entre a ponta e a amostra. Essa diferença de potencial também pode surgir de uma diferença na função de trabalho entre ponta e amostra. Uma vantagem do modo de passagem única é que a ponta está mais próxima da amostra, portanto, há maior sensibilidade e resolução na medição da força Kelvin, mas a resolução espacial pode sofrer. Essa implementação do KPFM também é a mais rápida (não há feedback sobre o sinal z) e também minimiza o desgaste das pontas.
na configuração de passagem dupla, o cantilever passa duas vezes por cada linha da imagem. Durante a primeira passagem, a ponta está em contato com a amostra, pois mapeia a topografia no modo de modulação de amplitude. A ponta é levantada então sobre a amostra para a segunda passagem por uma quantidade prescrita pelo USUÁRIO (este parâmetro da altura do elevador é aperfeiçoado durante cada imagem e é tipicamente alguns ou dez dos nanômetros. A otimização implica um trade-off entre ter a ponta o mais próximo possível da amostra para evitar a capacitância perdida da alavanca, mas não estar muito perto a ponto de colidir com a amostra). Esta segunda passagem é semelhante à configuração de passagem única descrita acima: a tensão CA é aplicada à sonda em sua frequência de ressonância para acioná-la. Esta atuação elétrica está em contraste com a atuação piezo que é usada para acionar o cantilever para imagens de topografia na primeira passagem. Quando o potencial da superfície da amostra é diferente do potencial da sonda, as forças eletrostáticas resultantes causam oscilação mecânica do cantilever. Uma tensão DC escolhida através do loop de feedback potencial é então aplicada a zero a diferença de potencial entre a ponta e a amostra, que é registrada como o potencial de superfície. Uma taxa de varredura lenta acoplada às medições de passagem dupla pode levar a longos tempos de aquisição para uma única imagem no modo de passagem dupla. No entanto, essa implementação do KPFM fornece a melhor resolução espacial e, portanto, correlação superior da imagem KPFM com a topografia de superfície. Medições quantitativas de KPFM da função de trabalho de amostra local são possíveis. No entanto, isso requer um modelo para descrever as interações eletrostáticas entre a ponta e a amostra, bem como conhecer a função de trabalho da ponta.
aplicações de KPFM
um exemplo de uma medição KPFM de passagem única é mostrado abaixo em um floco de grafeno de várias camadas. Esses flocos foram sintetizados por esfoliação mecânica de grafite e posterior transferência para um substrato de dióxido de silício-silício. Um mapa topográfico tridimensional de 8 mm x 8 mm da superfície do floco de grafeno é mostrado abaixo. A coloração deste mapa topográfico representa o sinal KPFM, ou uma imagem do potencial de contato durante a imagem. Contraste que é roxo ou rosa é alto potencial de contato, enquanto contraste que é verde é baixo potencial de contato. Através deste contato mapa potencial, as diferentes propriedades elétricas dos diferentes espessura dos flocos é claramente evidente como os flocos finos no topo têm alto potencial de contato (coloração azul), enquanto a outra camada tem um menor potencial de contato (coloração verde). Esses dados foram coletados por um CoreAFM.
outro exemplo de medição KPFM de passagem dupla é mostrado abaixo em um óxido isolante. Nesta amostra, cargas locais foram colocadas na camada superficial de óxido isolante em um padrão cruzado Suíço. A imagem da topografia é mostrada à esquerda, onde não há indicação de nenhum padrão cruzado Suíço. A imagem KPFM é mostrada à direita, onde a imagem potencial de superfície fornecida pelo KPFM revela claramente o padrão de cargas.
A combinação de elétrica e modos de microscopia de força magnética também é poderoso, como ilustrado para o aço inoxidável, que foi fotografada por KPFM e MFM.A microscopia da força da ponta de prova de Kelvin está disponível para as linhas de produtos de CoreAFM e de FlexAFM.
