Войти
В зондовой силовой микроскопии Кельвина проводящий кантилевер сканируется по поверхности в постоянная высота для отображения работы выхода поверхности. 
Типичный сканирующий зонд Кельвина (SKP). Слева - блок управления с синхронным усилителем и регулятором поддерживающего потенциала. Справа находится ось сканирования x, y, z с установленным вибратором, электрометром и датчиком. Зондовая силовая микроскопия Кельвина (KPFM ), также известная как микроскопия поверхностного потенциала, представляет собой бесконтактный вариант атомно-силовой микроскопии (АСМ). С помощью растрового сканирования в плоскости x, y работа выхода образца может быть локально отображена для корреляции с характеристиками образца. При небольшом увеличении или его отсутствии этот подход можно описать как использование сканирующего зонда Кельвина (SKP ). Эти методы преимущественно используются для измерения коррозии и покрытий.
С помощью KPFM работу выхода поверхностей можно наблюдать при атомном или молекулярные весы. Работа выхода относится ко многим поверхностным явлениям, включая каталитическую активность, реконструкцию поверхностей, легирование и искривление зон полупроводников, захват заряда в диэлектриках и коррозия. Карта работы выхода, созданная KPFM, дает информацию о составе и электронном состоянии локальных структур на поверхности твердого тела.
Методика SKP основана на экспериментах с конденсаторами с параллельными пластинами, выполненными лордом Кельвином в 1898 году. В 1930-х годах Уильям Зисман на основе экспериментов лорда Кельвина разработал методику измерения контактных разностей потенциалов разнородных металлов.
Изменения уровней Ферми показаны сканирующий зонд Кельвина (SKP) образец и зонд во время измерения. При электрическом соединении зонда и образца их уровни Ферми уравновешиваются, и на зонде и образце возникает заряд. Обратный потенциал применяется для обнуления этого заряда, возвращая уровень Ферми образца в его исходное положение. В SKP зонд и образец удерживаются параллельно друг другу и электрически соединяются, образуя конденсатор с параллельными пластинами. Зонд выбирается из материала, отличного от материала образца, поэтому каждый компонент изначально имеет свой уровень Ферми. При электрическом соединении между зондом и образцом электронный поток может возникать между зондом и образцом в направлении от более низкого к более высокому уровню Ферми. Этот поток электронов вызывает уравновешивание уровней Ферми зонда и образца. Кроме того, на зонде и образце возникает поверхностный заряд с соответствующей разностью потенциалов, известной как контактный потенциал (V c). В СКП зонд колеблется по перпендикуляру к плоскости образца. Эта вибрация вызывает изменение расстояния между зондом и образцом, что, в свою очередь, приводит к протеканию тока, принимающему форму синусоидальной волны переменного тока . Результирующая синусоидальная волна переменного тока демодулируется в сигнал постоянного тока с помощью синхронизирующего усилителя . Как правило, пользователь должен выбрать правильное значение опорных фазового используемое синхронный усилителя. После определения постоянного потенциала можно применить внешний потенциал, известный как поддерживающий потенциал (V b), чтобы обнулить заряд между зондом и образцом. Когда заряд обнуляется, уровень Ферми образца возвращается в исходное положение. Это означает, что V b равно -V c, что является разницей работы выхода между датчиком SKP и измеренным образцом.
Упрощенная иллюстрация сканирующего датчика Кельвина ( СКП) техника. Показано, что зонд колеблется по оси z, перпендикулярно плоскости образца. Зонд и образец образуют конденсатор с параллельными пластинами, как показано. 
Блок-схема сканирующего зонда Кельвина (SKP), показывающая компьютер, блок управления, оси сканирования, вибратор, зонд и образец Кантилевер в AFM представляет собой электрод сравнения, который образует конденсатор с поверхностью, по которой он сканируется в боковом направлении с постоянным разделением. Кантилевер не приводится в действие пьезоэлектрическим способом на его механической резонансной частоте ω 0, как в нормальном AFM, хотя на этой частоте прикладывается напряжение переменного тока (AC).
Когда существует разность потенциалов постоянного тока (DC) между наконечником и поверхностью, смещение напряжения AC + DC вызовет вибрацию кантилевера. Происхождение силы можно понять, если учесть, что энергия конденсатора, образованного кантилевером и поверхностью, равна
![E = {\ frac {1 } {2}} C [V _ {{DC}} + V _ {{AC}} \ sin (\ omega _ {0} t)] ^ {2} = {\ frac {1} {2}} C [2V_ {{DC}} V _ {{AC}} \ sin (\ omega _ {0} t) - {\ frac {1} {2}} V _ {{AC}} ^ {2} \ cos (2 \ omega _ {0} t)]](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/76406b6101633873a2d25b45bd1f08ff43d7c571)
плюс условия в постоянном токе. Только перекрестный член, пропорциональный произведению V DC·VAC, находится на резонансной частоте ω 0. Результирующая вибрация кантилевера обнаруживается с помощью обычных методов сканирующей зондовой микроскопии (обычно с использованием диодного лазера и четырехквадрантного детектора). Нулевая цепь используется для управления потенциалом постоянного тока наконечника до значения, которое минимизирует вибрацию. Таким образом, карта этого обнуляющего постоянного потенциала в зависимости от координаты поперечного положения дает изображение работы выхода поверхности.
Родственный метод, электростатическая силовая микроскопия (EFM), непосредственно измеряет силу, создаваемую на заряженном наконечнике электрическим полем, исходящим от поверхности. EFM работает так же, как магнитно-силовая микроскопия в том, что сдвиг частоты или изменение амплитуды колебаний кантилевера используется для обнаружения электрического поля. Однако EFM гораздо более чувствителен к топографическим артефактам, чем KPFM. И EFM, и KPFM требуют использования токопроводящих кантилеверов, обычно с металлическим покрытием кремний или нитрид кремния.
На качество измерения SKP влияет ряд факторов. Это включает в себя диаметр зонда SKP, расстояние от зонда до образца и материал зонда SKP. Диаметр зонда важен при измерении SKP, поскольку он влияет на общее разрешение измерения, а зонды меньшего размера приводят к повышению разрешения. С другой стороны, уменьшение размера зонда вызывает усиление эффекта окантовки, что снижает чувствительность измерения за счет увеличения измерения паразитных емкостей. Материал, используемый в конструкции зонда SKP, важен для качества измерения SKP. Это происходит по ряду причин. Различные материалы имеют разные значения работы выхода, что влияет на измеряемый контактный потенциал. У разных материалов разная чувствительность к перепадам влажности. Материал также может влиять на результирующее поперечное разрешение измерения SKP. В промышленных пробниках используется вольфрам, хотя пробники из платины, меди, золота и NiCr были используемый. Расстояние между зондом и образцом влияет на окончательное измерение SKP, при этом меньшие расстояния между зондом и образцом улучшают разрешение по горизонтали и отношение сигнал / шум измерения. Кроме того, уменьшение расстояния между зондом SKP до образца увеличивает интенсивность измерения, где интенсивность измерения пропорциональна 1 / d, где d - расстояние от зонда до образца. Влияние изменения расстояния между датчиком и образцом на измерение можно нейтрализовать, используя SKP в режиме постоянного расстояния.
Зондовый силовой микроскоп Кельвина или силовой микроскоп Кельвина (KFM) основан на установке АСМ, а определение работы выхода основано на измерении электростатических сил. между маленьким наконечником АСМ и образцом. Проводящий наконечник и образец характеризуются (в общем) разными функциями выхода, которые представляют собой разницу между уровнем Ферми и уровнем вакуума для каждого материала. Если бы оба элемента соприкоснулись, между ними протекал бы электрический ток, пока уровни Ферми не выровнялись. Разница между рабочими функциями называется контактной разностью потенциалов и обычно обозначается как V CPD. Между зондом и образцом существует электростатическая сила из-за электрического поля между ними. Для измерения между зондом и образцом прикладывают напряжение, состоящее из смещения постоянного тока V DC и напряжения переменного тока V AC sin (ωt) с частотой ω.
Настройка частоты переменного тока на резонансную частоту кантилевера AFM приводит к повышению чувствительности. Электростатическая сила в конденсаторе может быть найдена путем дифференцирования функции энергии относительно разделения элементов и может быть записана как
где C - емкость, z - расстояние, а V - напряжение между наконечником и поверхностью. Подстановка предыдущей формулы для напряжения (V) показывает, что электростатическая сила может быть разделена на три составляющих, поскольку полная электростатическая сила F, действующая на наконечник, затем имеет спектральные компоненты на частотах ω и 2ω.
Постоянный ток, F DC, вносит вклад в топографический сигнал, член F ω на характеристической частоте ω используется для измерения контактного потенциала, а вклад F 2ω может использоваться для емкостной микроскопии.
![{\ displaystyle F_ {DC} = {\ f rac {dC} {dz}} \ left [{\ frac {1} {2}} (V_ {DC} -V_ {CPD}) ^ {2} + {\ frac {1} {4}} V_ {AC } ^ {2} \ right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/86b07fe8708356480525c3eeff00a115029218c6)
![F _ {{\ omega}} = { \ frac {dC} {dz}} [V _ {{DC}} - V _ {{CPD}}] V _ {{AC}} \ sin (\ omega t)](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1826a211f72a4518e388609ea082454aba51239f)
Для измерения контактного потенциала синхронный усилитель используется для обнаружения колебаний кантилевера при ω. Во время сканирования V DC будет отрегулирован так, чтобы электростатические силы между зондом и образцом стали равными нулю и, таким образом, отклик на частоте ω стал равным нулю. Поскольку электростатическая сила в ω зависит от V DC - V CPD, значение V DC, которое минимизирует ω-член, соответствует контактному потенциалу. Абсолютные значения работы выхода образца могут быть получены, если зонд сначала откалиброван по эталонному образцу с известной работой выхода. Помимо этого, можно использовать обычные методы топографического сканирования на резонансной частоте ω независимо от вышеизложенного. Таким образом, за одно сканирование одновременно определяются топография и контактный потенциал образца. Это можно сделать (как минимум) двумя разными способами: 1) Топография фиксируется в режиме переменного тока, что означает, что кантилевер приводится в действие пьезоэлектрическим преобразователем на его резонансной частоте. Одновременно с этим для измерения KPFM подается переменное напряжение с частотой немного ниже резонансной частоты кантилевера. В этом режиме измерения топография и контактная разность потенциалов фиксируются одновременно, и этот режим часто называют однопроходным. 2) Одна линия топографии фиксируется либо в режиме контакта, либо в режиме переменного тока и сохраняется внутри. Затем эта линия сканируется снова, в то время как кантилевер остается на определенном расстоянии от образца без механических колебаний, но прикладывается напряжение переменного тока измерения KPFM и захватывается контактный потенциал, как описано выше. Важно отметить, что острие кантилевера не должно быть слишком близко к образцу, чтобы обеспечить хорошие колебания с приложенным напряжением переменного тока. Следовательно, KPFM может выполняться одновременно во время измерений топографии переменного тока, но не во время измерений контактной топографии.
Вольта-потенциал, измеренный SKP, прямо пропорционален потенциалу коррозии материала, поэтому SKP нашел широкое применение при изучении областей коррозия и покрытия. В области покрытий, например, с помощью SKP измеряли поцарапанный участок самовосстанавливающегося полимерного покрытия с памятью формы, содержащего теплогенерирующий агент, на алюминиевых сплавах. Первоначально после нанесения царапины потенциал Вольта был заметно выше и шире по царапине, чем по остальной части образца, что означает, что эта область более подвержена коррозии. Потенциал Вольта уменьшился в ходе последующих измерений, и в конечном итоге пик над царапиной полностью исчез, что означает, что покрытие зажило. Поскольку SKP можно использовать для исследования покрытий неразрушающим способом, он также использовался для определения разрушения покрытия. При исследовании покрытий из полиуретана было замечено, что работа выхода увеличивается с увеличением воздействия высокой температуры и влажности. Это увеличение работы выхода связано с разложением покрытия, вероятно, в результате гидролиза связей внутри покрытия.
С помощью SKP была измерена коррозия промышленно важных сплавов. В частности, с помощью SKP можно исследовать влияние воздействия окружающей среды на коррозию. Например, была исследована микробиологическая коррозия нержавеющей стали и титана. SKP полезен для изучения этого вида коррозии, потому что она обычно возникает локально, поэтому глобальные методы плохо подходят. Изменения поверхностного потенциала, связанные с повышенной локальной коррозией, были продемонстрированы измерениями SKP. Кроме того, можно было сравнить коррозию, вызванную различными видами микробов. В другом примере SKP был использован для исследования материалов из биомедицинских сплавов, которые могут подвергаться коррозии внутри человеческого тела. В исследованиях Ti-15Mo в условиях воспалительного процесса измерения SKP показали более низкую коррозионную стойкость на дне коррозионной ямы, чем на защищенной оксидом поверхности сплава . SKP также использовался для исследования эффектов атмосферной коррозии, например, для исследования медных сплавов в морской среде. В этом исследовании потенциалы Кельвина стали более положительными, что указывает на более положительный потенциал коррозии при увеличении времени воздействия из-за увеличения толщины продуктов коррозии. В качестве последнего примера СКП использовался для исследования нержавеющей стали в моделируемых условиях газопровода. Эти измерения показали увеличение разницы в потенциале коррозии катодной и анодной областей с увеличенным временем коррозии, что указывает на более высокую вероятность коррозии. Кроме того, эти измерения SKP предоставили информацию о местной коррозии, что невозможно с другими методами.
SKP использовался для исследования поверхностного потенциала материалов, используемых в солнечных элементах, с тем преимуществом, что это бесконтактный и, следовательно, неразрушающий метод. Его можно использовать для определения сродства к электрону различных материалов, в свою очередь, позволяя определить перекрытие уровней энергии зон проводимости разных материалов. Перекрытие уровней энергии этих полос связано с реакцией системы на фотоэдс на поверхности.
В качестве бесконтактного, неразрушающего метода SKP использовался для исследования скрытых отпечатков пальцев на материалах. представляет интерес для судебно-медицинских исследований. Когда отпечатки пальцев остаются на металлической поверхности, они оставляют после себя соли, которые могут вызвать локальную коррозию интересующего материала. Это приводит к изменению вольта-потенциала образца, которое обнаруживается SKP. SKP особенно полезен для этих анализов, потому что он может обнаруживать это изменение вольта-потенциала даже после нагрева или покрытия, например, маслом.
СКП использовался для анализа механизмов коррозии шрейберзит содержащих метеоритов. Целью этих исследований было изучить роль таких метеоритов в высвобождении видов, используемых в пребиотической химии.
В области биологии SKP использовался для исследования электрических полей, связанных с ранением и точками акупунктуры.
