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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，適用于研究納米級材料與器件的電子特性。KPFM 通過探測電容靜電力來對 AFM 探針與樣品表面之間的局部接觸電勢差 (CPD) 進行量化。

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應用描述

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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，適用于研究納米級材料與器件的電子特性。KPFM 通過探測電容靜電力來對 AFM 探針與樣品表面之間的局部接觸電勢差 (CPD) 進行量化。用于金屬表面時，KPFM 信號與材料的功函數直接相關，而用于半導體時，CPD 與半導體的摻雜分布，或者感光薄膜的表面光電壓 (SPV) 相關。本頁所述的大多數 KPFM 方法都屬于閉環單次掃描方法，也就是說我們將同時對局部 CPD 以及表面形貌或其它影響靜電力的因素進行主動跟蹤并形成圖像。

開環式 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制產生了三個頻譜分量：其中一個是靜態的直流項，另外兩個是交流分量，分別位于偏置電壓調制頻率的基波和二次諧波處。未通過反饋環對 CPD 進行主動跟蹤時，可以在所謂的雙諧波 (DH-KPFM) 模式下，通過這兩個交流分量計算出它的值。該模式特別適合在液體中進行測量。

測量策略

在典型的 KPFM 設置方案中，我們會施加一個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生靜電力，并用標準鎖相探測技術進行測量（見圖1）。根據所采用的測量方案（見表），我們會將靜電力或靜電力梯度中的解調分量送入 PID 環，由PID 環調節直流偏置電壓，使靜電力達到最小。當靜電影響被所施加的直流源抵消時，我們就得到了所關注的 CPD 值。

圖 1：典型的 FM-KPFM 測量方案，機械共振信號的解調將在偏置電壓調制頻率下進行。所有的 KPFM 模式都需要一個 VAC+VDC 的電驅動，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。通過對直流偏置電壓進行掃描，我們可以重建 CPD 拋物線。VAC 的調制用于確定該拋物線的最高點，方法是通過鎖相放大器或 PLL 測量由此產生的靜電力調制，并將該調制的 X 分量降到最低。

很多現有的 KPFM 模式都歸于兩大類別之一，即調幅 KPFM (AM-KPFM) 和調頻 KPFM (FM-KPFM)。AM-KPFM 模式穩定且易于實現，但探針尖錐和懸臂的幾何形狀導致雜散電容較高，因此分辨率有限。AM-KPFM 可用于快速檢查大型表面，并且需要的交流驅動電壓一般較低。FM-KPFM 模式對靜電力梯度敏感，因此具有最佳表面電勢分辨率，但該模式在用于粗糙表面時，更難實現優化和穩定運行。最近又發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，出現偽影的可能非常小。

在更為傳統的兩次掃描方法中，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，提高了表面電勢分辨率，同時縮短了測量時間。單次掃描 KPFM 技術需要對許多參數進行微調，而 Zurich Instruments 的 LabOne^? 控制軟件提供了針對各種諧波或頻率的多個解調器，此外還有多個反饋環以及移相器和參數掃描器功能，可以確保整個優化過程更加一致，并能以系統化的方式進行。

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Zurich Instruments 鎖相放大器的優勢

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

━ 得益于包括移相器和混頻器在內的高度自動化技術，您可以對所有重要參數進行掃描，從而快速找到能使信噪比最大化的最佳參數組合。

━ 您可以使用 PID Advisor 對偏置電壓反饋環進行優化，無需掌握任何之前的信息，也無需手動調節增益參數。

━ 我們的儀器可以搭配任何種類的第三方顯微鏡使用，只要能操控電驅動和探測信號即可。

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