开尔文探针力显微镜

开尔文探针力显微镜 (KPFM)，也称为表面电位显微镜，是原子力显微镜 (AFM) 的一种非接触式变体。 通过在 x、y 平面中进行光栅扫描，可以局部映射样本的功函数以与样本特征相关联。 当放大倍数很小或没有放大时，这种方法可以描述为使用扫描开尔文探头 (SKP)。 这些技术主要用于测量腐蚀和涂层。

使用 KPFM，可以在原子或分子尺度上观察表面的功函数。 功函数与许多表面现象有关，包括催化活性、表面重建、半导体的掺杂和能带弯曲、电介质中的电荷俘获和腐蚀。 KPFM 生成的功函数图提供了有关固体表面局部结构的组成和电子状态的信息。

SKP 技术基于开尔文勋爵于 1898 年进行的平行板电容器实验。在 1930 年代，威廉齐斯曼在开尔文勋爵的实验基础上开发了一种测量不同金属接触电势差的技术。

在 SKP 中，探针和样品相互平行并电连接以形成平行板电容器。 探针被选择为与样品不同的材料，因此每个组件最初都有不同的费米能级。 当在探针和样品之间建立电连接时，电子流可以在探针和样品之间沿较低费米能级到较高费米能级的方向发生。 这种电子流导致探针和样品费米能级的平衡。 此外，探针和样品上会产生表面电荷，相关电势差称为接触电势 (Vc)。 在 SKP 中，探头沿垂直于样品平面的方向振动。 这种振动会导致探头与样品之间的距离发生变化，进而导致电流以交流正弦波的形式流动。 通过使用锁定放大器将产生的交流正弦波解调为直流信号。 通常，用户必须选择锁定放大器使用的正确参考相位值。 一旦确定了直流电势，就可以施加称为背衬电势 (Vb) 的外部电势，以使探针和样品之间的电荷为零。 当电荷为零时，样品的费米能级返回到其原始位置。 这意味着 Vb 等于 -Vc，这是 SKP 探头和被测样品之间的功函数差。

AFM 中的悬臂是一个参考电极，它与表面形成一个电容器，它以恒定的间隔在其上进行横向扫描。 尽管在该频率下施加了交流 (AC) 电压，但悬臂并未像正常 AFM 那样以其机械共振频率 ω0 被压电驱动。

当尖端和表面之间存在直流 (DC) 电势差时，AC+DC 电压偏移将导致悬臂振动。

加上 DC 的条款。 只有与 VDC·VAC 乘积成正比的交叉项处于谐振频率 ω0。 使用通常的扫描探针显微镜方法（通常涉及二极管激光器和四象限检测器）检测悬臂产生的振动。 零电路用于将尖端的直流电势驱动到最小化振动的值。 因此，此归零 DC 电势与横向位置坐标的映射会生成表面功函数的图像。

一种相关技术，静电力显微镜 (EFM)，直接测量由表面发出的电场在带电尖端上产生的力。 EFM 的工作原理与磁力显微镜非常相似，因为悬臂振荡的频移或振幅变化用于检测电场。 然而，EFM 比 KPFM 对地形伪影敏感得多。 EFM 和 KPFM 都需要使用导电悬臂，通常是金属涂层硅或氮化硅。 另一种基于 AFM 的静电表面电位成像技术是扫描量子点显微镜，它根据表面电位对尖端连接的量子点进行门控的能力来量化表面电位。

SKP 测量的质量受多种因素影响。 这包括 SKP 探头的直径，探头到样品盘。