Kelvin probe microscopy eller KPFM är en medlem av en svit av elektriska karakterisering metoder tillgängliga i scanning probe microscopy att kartlägga ytan potential eller arbete funktion av prover.
KPFM ger information om kontaktpotentialen eller arbetsfunktionen hos en provyta, vilket ger en kontrastmekanism relaterad till provets elektriska egenskaper. Arbetsfunktion definieras i fasta tillstånd fysik som den energi som behövs för att ta bort en elektron från Fermi-nivån i ett fast till vakuum; arbetsfunktion är således en egenskap hos ytan, inte massan. Därför är KPFM en ytkänslig metod som endast sonderar ytan och nära ytan.
Kelvin probe force microscopy arbetar i amplitudmoduleringsläge, en typ av dynamiskt kraftläge där en cantilever med en tunn elektriskt ledande beläggning drivs vid sin resonansfrekvens (detta läge kallas också tappningsläge). Dessa cantilevers är billiga och kommersiellt tillgängliga.
KPFM kan fungera i antingen en enkel eller dubbel pass setup. I enkelpassinställningen passerar spetsen över provet i konstant höjd. En växelspänning appliceras på cantilever under detta pass, vilket skapar en oscillerande elektrostatisk kraft mellan spets och prov, som mäts av en låsförstärkare. En likspänning appliceras sedan för att nollställa potentialen och därmed förhindra cantileveroscillation. Denna applicerade likspänning kartläggs sedan som ett mått på kontaktpotentialskillnaden mellan spets och prov. Denna potentialskillnad kan också uppstå från en skillnad i arbetsfunktion mellan spets och prov. En fördel med enkelpassläget är att spetsen är närmare provet så att det finns högre känslighet och upplösning i Kelvin-kraftmätningen, men den rumsliga upplösningen kan drabbas. Denna implementering av KPFM är också den snabbaste (Det finns ingen feedback på z-signalen) och minimerar också spetsslitage.
i dual pass-inställningen passerar cantilever två gånger över varje rad i bilden. Under det första passet är spetsen i kontakt med provet när det kartlägger topografin i amplitudmoduleringsläge. Spetsen lyfts sedan över provet för det andra passet med en mängd som föreskrivs av användaren (denna lyfthöjdsparameter optimeras under varje bild och är vanligtvis några eller tiotals nanometer. Optimering innebär en avvägning mellan att ha spetsen så nära provet som möjligt för att undvika strömlös kapacitans från spaken men inte vara för nära för att krascha in i provet). Detta andra pass liknar den enda passinställningen som beskrivs ovan: växelspänningen appliceras på sonden vid sin resonansfrekvens för att driva den. Denna elektriska aktivering står i kontrast till piezo-aktivering som används för att driva cantilever för topografiavbildning i första passet. När provytans potential är annorlunda än sondens potential, orsakar de resulterande elektrostatiska krafterna mekanisk svängning av cantilever. En likspänning vald genom potentiell återkopplingsslinga appliceras sedan för att nollställa skillnaden i potential mellan spets och prov, vilket registreras som ytpotentialen. En långsam skanningshastighet i kombination med dubbelpassmätningarna kan leda till långa förvärvstider för en enda bild i dual-pass-läget. Denna implementering av KPFM ger emellertid den bästa rumsliga upplösningen och därmed överlägsen korrelation av KPFM-bilden med ytopografi. Kvantitativa kpfm-mätningar av den lokala provarbetsfunktionen är möjlig. Detta kräver emellertid en modell för att beskriva de elektrostatiska interaktionerna mellan spets och prov samt att känna till spetsens arbetsfunktion.
tillämpningar av KPFM
ett exempel på en enda pass kpfm mätning visas nedan på en flerskikts grafen flingor. Dessa flingor syntetiserades genom mekanisk exfoliering av grafit och efterföljande överföring till ett kisel-kiseldioxidsubstrat. En 3-dimensionell 8mm x 8mm topografisk karta över grafenflingytan visas nedan. Färgningen av denna topografiska karta representerar kpfm-signalen eller en bild av kontaktpotentialen under bilden. Kontrast som är lila eller rosa är hög kontaktpotential medan kontrast som är grön är låg kontaktpotential. Genom denna kontaktpotentialkarta är de olika elektriska egenskaperna hos de olika tjockleksflingorna tydligt uppenbara eftersom de tunna flingorna på toppen har hög kontaktpotential (blå färgning) medan det andra skiktet har en lägre kontaktpotential (grön färgning). Dessa uppgifter samlades in av en CoreAFM.
ett annat exempel på en kpfm-mätning med dubbla pass visas nedan på en isolerande oxid. I detta prov placerades lokala laddningar på det isolerande oxidytskiktet i ett schweiziskt korsmönster. Topografibilden visas till vänster där det inte finns någon indikation på något Schweiziskt korsmönster. KPFM-bilden visas till höger där den ytpotentiella bilden som tillhandahålls av KPFM tydligt avslöjar laddningsmönstret.
kombinationen av elektriska lägen och magnetisk kraftmikroskopi är också kraftfull, vilket illustreras för rostfritt stål som avbildades av KPFM och MFM.Kelvin probe force microscopy är tillgänglig för CoreAFM och FlexAFM produktlinjer.
