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開爾文探針力顯微鏡 (KPFM)

簡介：

開爾文探針力顯微鏡（簡稱 KPFM、KFM 或 SKFM）是一種基于原子力顯微鏡 (AFM) 的技術(shù)，適用于研究納米級(jí)材料與器件的電子特性。KPFM 通過探測電容靜電力來對(duì) AFM 探針與樣品表面之間的局部接觸電勢(shì)差 (CPD) 進(jìn)行量化。

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應(yīng)用描述

相關(guān)產(chǎn)品: MFLI、HF2LI

開爾文探針力顯微鏡（簡稱 KPFM、KFM 或 SKFM）是一種基于原子力顯微鏡 (AFM) 的技術(shù)，適用于研究納米級(jí)材料與器件的電子特性。KPFM 通過探測電容靜電力來對(duì) AFM 探針與樣品表面之間的局部接觸電勢(shì)差 (CPD) 進(jìn)行量化。用于金屬表面時(shí)，KPFM 信號(hào)與材料的功函數(shù)直接相關(guān)，而用于半導(dǎo)體時(shí)，CPD 與半導(dǎo)體的摻雜分布，或者感光薄膜的表面光電壓 (SPV) 相關(guān)。本頁所述的大多數(shù) KPFM 方法都屬于閉環(huán)單次掃描方法，也就是說我們將同時(shí)對(duì)局部 CPD 以及表面形貌或其它影響靜電力的因素進(jìn)行主動(dòng)跟蹤并形成圖像。

開環(huán)式 KPFM 可視為靜電力顯微鏡 (EFM) 的一種延伸，它通過施加正弦電調(diào)制產(chǎn)生了三個(gè)頻譜分量：其中一個(gè)是靜態(tài)的直流項(xiàng)，另外兩個(gè)是交流分量，分別位于偏置電壓調(diào)制頻率的基波和二次諧波處。未通過反饋環(huán)對(duì) CPD 進(jìn)行主動(dòng)跟蹤時(shí)，可以在所謂的雙諧波 (DH-KPFM) 模式下，通過這兩個(gè)交流分量計(jì)算出它的值。該模式特別適合在液體中進(jìn)行測量。

測量策略

在典型的 KPFM 設(shè)置方案中，我們會(huì)施加一個(gè)疊加在直流電壓上的交流探針偏置電壓，在針尖和樣品之間產(chǎn)生靜電力，并用標(biāo)準(zhǔn)鎖相探測技術(shù)進(jìn)行測量（見圖1）。根據(jù)所采用的測量方案（見表），我們會(huì)將靜電力或靜電力梯度中的解調(diào)分量送入 PID 環(huán)，由PID 環(huán)調(diào)節(jié)直流偏置電壓，使靜電力達(dá)到最小。當(dāng)靜電影響被所施加的直流源抵消時(shí)，我們就得到了所關(guān)注的 CPD 值。

圖 1：典型的 FM-KPFM 測量方案，機(jī)械共振信號(hào)的解調(diào)將在偏置電壓調(diào)制頻率下進(jìn)行。所有的 KPFM 模式都需要一個(gè) VAC+VDC 的電驅(qū)動(dòng)，偏置電壓反饋僅作用于 VDC 上，且被記錄下來以反映表面電勢(shì)。通過對(duì)直流偏置電壓進(jìn)行掃描，我們可以重建 CPD 拋物線。VAC 的調(diào)制用于確定該拋物線的最高點(diǎn)，方法是通過鎖相放大器或 PLL 測量由此產(chǎn)生的靜電力調(diào)制，并將該調(diào)制的 X 分量降到最低。

很多現(xiàn)有的 KPFM 模式都?xì)w于兩大類別之一，即調(diào)幅 KPFM (AM-KPFM) 和調(diào)頻 KPFM (FM-KPFM)。AM-KPFM 模式穩(wěn)定且易于實(shí)現(xiàn)，但探針尖錐和懸臂的幾何形狀導(dǎo)致雜散電容較高，因此分辨率有限。AM-KPFM 可用于快速檢查大型表面，并且需要的交流驅(qū)動(dòng)電壓一般較低。FM-KPFM 模式對(duì)靜電力梯度敏感，因此具有最佳表面電勢(shì)分辨率，但該模式在用于粗糙表面時(shí)，更難實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和穩(wěn)定運(yùn)行。最近又發(fā)展出了在空氣中使用的外差 FM-KPFM 和在真空中使用的 2ω 耗散 KPFM (2ωD-KPFM)，它們都屬于最新的定量測量方法，出現(xiàn)偽影的可能非常小。

在更為傳統(tǒng)的兩次掃描方法中，一次掃描用于確定形貌，另一次用于測量靜電影響。與之相比，單次掃描測量方法減少了形貌中的偏置電壓偽影，提高了表面電勢(shì)分辨率，同時(shí)縮短了測量時(shí)間。單次掃描 KPFM 技術(shù)需要對(duì)許多參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，而 Zurich Instruments 的 LabOne^? 控制軟件提供了針對(duì)各種諧波或頻率的多個(gè)解調(diào)器，此外還有多個(gè)反饋環(huán)以及移相器和參數(shù)掃描器功能，可以確保整個(gè)優(yōu)化過程更加一致，并能以系統(tǒng)化的方式進(jìn)行。

產(chǎn)品推薦

Zurich Instruments 鎖相放大器的優(yōu)勢(shì)

━ 任何閉環(huán)或開環(huán) KPFM 模式均可在同一臺(tái)儀器上完成測量，只需重新加載設(shè)置即可切換模式。

━ 得益于包括移相器和混頻器在內(nèi)的高度自動(dòng)化技術(shù)，您可以對(duì)所有重要參數(shù)進(jìn)行掃描，從而快速找到能使信噪比最大化的最佳參數(shù)組合。

━ 您可以使用 PID Advisor 對(duì)偏置電壓反饋環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，無需掌握任何之前的信息，也無需手動(dòng)調(diào)節(jié)增益參數(shù)。

━ 我們的儀器可以搭配任何種類的第三方顯微鏡使用，只要能操控電驅(qū)動(dòng)和探測信號(hào)即可。

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