Kelvin probe microscopie sau KPFM este un membru al unei suite de metode de caracterizare electrice disponibile în Scanare sonda microscopie pentru a mapa potențialul de suprafață sau funcția de lucru a probelor.
KPFM oferă informații despre potențialul de contact sau funcția de lucru a unei suprafețe de probă, oferind astfel un mecanism de contrast legat de proprietățile electrice ale eșantionului. Funcția de lucru este definită în fizica stărilor solide ca energia necesară pentru a îndepărta un electron de la nivelul Fermi într-un solid până la vid; funcția de lucru este astfel o proprietate a suprafeței, nu a volumului. Prin urmare, KPFM este o metodă sensibilă la suprafață care sondează numai suprafața și suprafața apropiată.
microscopia forței sondei Kelvin funcționează în modul de modulare a amplitudinii, un tip de mod de forță dinamică în care o consolă cu un strat subțire conductiv electric este acționată la frecvența sa de rezonanță (acest mod este denumit și modul de atingere). Aceste console sunt ieftine și disponibile comercial.
KPFM poate funcționa fie într-o singură sau configurare dual pass. În configurația cu o singură trecere, vârful trece peste eșantion la o înălțime constantă. O tensiune de curent alternativ este aplicată consolei în timpul acestei treceri, creând o forță electrostatică oscilantă între vârf și probă, care este măsurată de un amplificator de blocare. O tensiune DC este apoi aplicată la null potențialul și astfel împiedică Oscilația în consolă. Această tensiune DC aplicată este apoi mapată ca o măsură a diferenței de potențial de contact dintre vârf și eșantion. Această diferență de potențial poate apărea și dintr-o diferență de funcție de lucru între vârf și eșantion. Un avantaj al modului cu o singură trecere este că vârful este mai aproape de eșantion, astfel încât există o sensibilitate și o rezoluție mai mari în măsurarea forței Kelvin, dar rezoluția spațială poate suferi. Această implementare a KPFM este, de asemenea, cea mai rapidă (nu există feedback cu privire la semnalul z) și, de asemenea, minimizează uzura vârfurilor.
în configurarea dual pass, consola trece de două ori peste fiecare linie din imagine. În timpul primei treceri, vârful este în contact cu eșantionul, deoarece mapează topografia în modul de modulare a amplitudinii. Vârful este apoi ridicat peste eșantion pentru a doua trecere cu o cantitate prescrisă de utilizator (acest parametru de înălțime de ridicare este optimizat în timpul fiecărei imagini și este de obicei de câțiva sau zeci de nanometri. Optimizarea presupune un compromis între a avea vârful cât mai aproape de eșantion pentru a evita capacitatea rătăcită de la pârghie, dar a nu fi prea aproape ca să se prăbușească în eșantion). Această a doua trecere este similară cu configurarea unei singure treceri descrisă mai sus: tensiunea de curent alternativ este aplicată sondei la frecvența sa de rezonanță pentru a o conduce. Această acționare electrică este în contrast cu acționarea piezo care este utilizată pentru a conduce consola pentru imagistica topografică în prima trecere. Când potențialul suprafeței eșantionului este diferit de potențialul sondei, forțele electrostatice rezultate determină oscilația mecanică a consolei. O tensiune DC aleasă prin bucla de feedback potențial este apoi aplicată la zero diferența de potențial dintre vârf și eșantion, care este înregistrată ca potențial de suprafață. O rată de scanare lentă cuplată cu măsurătorile de trecere dublă poate duce la timpi lungi de achiziție pentru o singură imagine în modul dual-pass. Cu toate acestea, această implementare a KPFM oferă cea mai bună rezoluție spațială și, prin urmare, corelarea superioară a imaginii KPFM cu topografia suprafeței. Măsurătorile cantitative KPFM ale funcției locale de lucru a eșantionului sunt posibile. Cu toate acestea, acest lucru necesită un model pentru a descrie interacțiunile electrostatice dintre vârf și eșantion, precum și cunoașterea funcției de lucru a vârfului.
aplicații ale KPFM
un exemplu de măsurare KPFM cu o singură trecere este prezentat mai jos pe un fulg de grafen cu mai multe straturi. Aceste fulgi au fost sintetizate prin exfolierea mecanică a grafitului și transferul ulterior într-un substrat de dioxid de siliciu-siliciu. O hartă topografică 3-dimensională de 8 mm x 8 mm a suprafeței fulgului de grafen este prezentată mai jos. Colorarea acestei hărți topografice reprezintă semnalul KPFM sau o imagine a potențialului de contact în timpul imaginii. Contrastul care este violet sau roz este un potențial de contact ridicat, în timp ce contrastul care este verde este un potențial de contact scăzut. Prin această hartă a potențialului de contact, diferitele proprietăți electrice ale fulgilor de grosime diferită sunt clar evidente, deoarece fulgii subțiri de deasupra au un potențial de contact ridicat (colorare albastră), în timp ce celălalt strat are un potențial de contact mai mic (colorare verde). Aceste date au fost colectate de un CoreAFM.
un alt exemplu de măsurare KPFM cu dublă trecere este prezentat mai jos pe un oxid izolant. În acest eșantion, încărcăturile locale au fost plasate pe stratul de suprafață izolant de oxid într-un model încrucișat elvețian. Imaginea topografică este afișată în stânga, unde nu există nicio indicație a vreunui model încrucișat elvețian. Imaginea KPFM este afișată în partea dreaptă unde imaginea potențială de suprafață furnizată de KPFM dezvăluie clar modelul încărcărilor.
combinația dintre modurile electrice și microscopia forței magnetice este, de asemenea, puternică, așa cum este ilustrat pentru oțelul inoxidabil care a fost imaginat de KPFM și MFM.Microscopia Kelvin probe force este disponibilă pentru liniile de produse CoreAFM și FlexAFM.
