Кіріспе
Кельвин зондты күш микроскопиясының (KPFM) контактсыз нұсқасы, сонымен қатар беткі потенциал микроскопиясы деп аталады, бұл атомдық күш микроскопиясының (AFM) контактсыз нұсқасы. Растрлық сканерлеу арқылы x,y жазықтықта үлгідегі жұмыс функциясы үлгідегі ерекшеліктермен байланысты жергілікті картаға түсірілуі мүмкін. Үлкендеу аз немесе мүлдем болмаған жағдайда, бұл әдісті сканерлеу Кельвин зондтарын (SKP) пайдалану ретінде сипаттауға болады. Бұл әдістер негізінен коррозия мен қаптамаларды өлшеу үшін қолданылады. KPFM көмегімен беттердің жұмыс функциясы атомдық немесе молекулалық масштабтарда байқалуы мүмкін. Жұмыс функциясы көптеген беткі құбылыстарға, соның ішінде каталитикалық белсенділікке, беткілерді қайта құруға, жартылай өткізгіштердің допинг пен жолақты иілуіне, диэлектриктердегі зарядтар тұтқындалуына және коррозияға қатысты. KPFM жасаған жұмыс функциясының картасы қатты дене бетіндегі жергілікті құрылымдардың құрамы мен электронды жағдайы туралы ақпарат береді.
Kelvin probe force microscopy (KPFM), also known as surface potential microscopy, is a noncontact variant of atomic force microscopy (AFM). By raster scanning in the x,y plane the work function of the sample can be locally mapped for correlation with sample features. When there is little or no magnification, this approach can be described as using a scanning Kelvin probe (SKP). These techniques are predominantly used to measure corrosion and coatings. With KPFM, the work function of surfaces can be observed at atomic or molecular scales. The work function relates to many surface phenomena, including catalytic activity, reconstruction of surfaces, doping and band bending of semiconductors, charge trapping in dielectrics and corrosion. The map of the work function produced by KPFM gives information about the composition and electronic state of the local structures on the surface of a solid.
Тарих
SKP техникасы Лорд Кельвиннің 1898 жылы жүргізген параллель пластиналы конденсатор эксперименттеріне негізделген. 1930 жылдары Уильям Зисман лорд Келвиннің эксперименттері негізінде әр түрлі металдардың байланыс потенциалының айырмашылығын өлшеу техникасын жасады.
Жұмыс принципі
SKP-да зонд пен сынама бір-біріне параллель ұсталады және параллель пластинка конденсаторын қалыптастыру үшін электрлік байланыста болады. Зонд үлгіге қарағанда басқа материалдан жасалуы үшін таңдалады, сондықтан әр компоненттің бастапқыда Ферми деңгейі ерекше болады. Зонд пен сынама арасында электрлік байланыс орнатылған кезде, зонд пен сынама арасында жоғарыдан төменге қарай Ферми деңгейіне қарай электрон ағыны пайда болуы мүмкін. Бұл электрон ағыны зонд пен үлгі Ферми деңгейінің тепе-теңдігін тудырады. Сонымен қатар, зонд пен үлгіде беткі заряд пайда болады, оған байланысты байланыс потенциалы (Vc) деп аталатын потенциалдық айырмашылық болады. SKP кезінде зонд үлгі жазықтығына перпендикуляр бойлай тербеледі. Бұл тербеліс зондтың өлшеуіш қашықтығына өзгеруіне әкеледі, бұл өз кезегінде ток ағынын тудырады, ол AC синустық толқын түрінде болады. Алынған AC синустық толқын DC сигналына бұғаттағыш арқылы демодуляцияланады. Әдетте пайдаланушы бекіту күшейткіші қолданатын дұрыс эталондық фаза мәнін таңдауы керек. DC потенциалы анықталғаннан кейін, зонд пен сынама арасындағы зарядты жою үшін сыртқы потенциалды, яғни кері потенциалды (Vb) қолдануға болады. Заряд жойылған кезде, үлгідегі Ферми деңгейі бастапқы орнына қайта келеді. Бұл Vb Vc-ге тең, бұл SKP зонд пен өлшенген үлгі арасындағы жұмыс функциясының айырмашылығы. AFM-дегі консоль - бұл бетімен конденсатор құрайтын, үнемі бір-бірінен бөлек орналасып, оның үстінен жақты түрде сканерленген эталондық электрод. Контейнердің пьезоэлектрлік қозғалтқышы оның механикалық резонанстық жиілігі ω0 нормадағыдай AFM емес, бірақ бұл жиілікте ауыспалы ток (AC) кернеуі қолданылады. Ұшы мен бет арасында бірқалыпты ток (ББ) потенциалдық айырмашылық болған кезде, АБ+ББ кернеуінің ауысуы консольді тербетуге әкеледі. Күштің шығу тегі конденсатордың конденсатор мен бетпен қалыптасқан энергиясы DC-де плюс терминдер екенін ескере отырып түсінуге болады. Тек VDC·VAC көбейтіндісіне пропорционалды қималық терминал ғана ω0 резонанстық жиілікте болады. Контейнердің пайда болған тербелісі әдеттегі сканерленген зонд микроскопиясы әдістерімен (әдетте диодты лазер мен төрт квадрант детекторымен) анықталады. Нөлдік схема ұшының DC потенциалын тербелісті азайтатын мәнге жеткізу үшін қолданылады. Осыдан кейін, осы нөлдік DC потенциалы мен бүйірлік позиция координатының картасы беттің жұмыс функциясының кескінін береді. Электростатикалық күш микроскопиясы (EFM) - бұл электр өрісінің бетінен шығатын зарядталған ұшында пайда болатын күшті тікелей өлшейтін техника. EFM магниттік күш микроскопиясына ұқсас жұмыс істейді, өйткені электр өрісін анықтау үшін консоль тербелісінің жиілік ауысуы немесе амплитудасының өзгеруі қолданылады. Алайда, EFM топографиялық артефактілерге KPFM-ге қарағанда әлдеқайда сезімтал. EFM және KPFM екеуі де өткізгіш конвейерлерді, әдетте металлмен қапталған кремнийді немесе кремний нитридін пайдалануды талап етеді. Электростаттық беткі потенциалдарды бейнелеудің басқа AFM негізделген әдісі, сканерлеу кванттық нүктелік микроскопия, беткі потенциалдарды ұшы бекітілген кванттық нүктеге кіре алатын қабілетіне байланысты өлшеуге мүмкіндік береді.
plus terms at DC. Only the cross term proportional to the VDC·VAC product is at the resonance frequency ω0. The resulting vibration of the cantilever is detected using usual scanned probe microscopy methods (typically involving a diode laser and a four quadrant detector). A null circuit is used to drive the DC potential of the tip to a value which minimizes the vibration. A map of this nulling DC potential versus the lateral position coordinate therefore produces an image of the work function of the surface. A related technique, electrostatic force microscopy (EFM), directly measures the force produced on a charged tip by the electric field emanating from the surface. EFM operates much like magnetic force microscopy in that the frequency shift or amplitude change of the cantilever oscillation is used to detect the electric field. However, EFM is much more sensitive to topographic artifacts than KPFM. Both EFM and KPFM require the use of conductive cantilevers, typically metal coated silicon or silicon nitride. Another AFM based technique for the imaging of electrostatic surface potentials, scanning quantum dot microscopy, quantifies surface potentials based on their ability to gate a tip attached quantum dot.
SKP өлшеміне әсер ететін факторлар
SKP өлшеу сапасына бірқатар факторлар әсер етеді. Бұл SKP зондтың диаметрі, зондтан сынама алыстығы және SKP зондтың материалы. Зонд диаметрі SKP өлшеуінде маңызды, өйткені ол өлшеудің жалпы ажыратылуына әсер етеді, кіші зондтар жақсартылған ажыратылуға әкеледі. Екінші жағынан, зондтың көлемін азайту фрингинг әсерінің артуына әкеледі, бұл өлшеудің сезімталдығын азайтады, өйткені адасу сыйымдылықтарын өлшеуді арттырады. Мұның бірнеше себебі бар. Әр түрлі материалдардың жұмыс функциясының әр түрлі мәні бар, бұл өлшенген түйісу потенциалына әсер етеді. Әр түрлі материалдар ылғалдың өзгеруіне әр түрлі сезімтал. Материал SKP өлшеміне алынған бүйірлік ажыратылуға да әсер етуі мүмкін. Коммерциялық зондтарда вольфрам қолданылады, бірақ платина, мыс, алтын және NiCr зондтары қолданылған. Зондтан сынама алыстығы SKP-ның соңғы өлшеміне әсер етеді, сынама алыстығы аздағандықтан, бүйірлік ажыратылуын жақсартады. Сонымен қатар, SKP-ның сынама алыстығын азайту өлшеудің қарқындылығын арттырады, мұнда өлшеу қарқындылығы 1/d2 шамасында, мұнда d - сынама алыстығы. Зондты өлшеу қашықтығына ауыстырудың өлшемге әсерін SKP-ті тұрақты қашықтық режимінде пайдалану арқылы терістеуге болады.
Жұмыс функциясы
Келвин зондты күш микроскопы немесе Келвин күш микроскопы (KFM) AFM-ге негізделеді, ал жұмыс функциясын анықтау шағын AFM ұшы мен сынама арасындағы электростатикалық күштерді өлшеуге негізделеді. Өткізгіш ұшы мен сынама әр материал үшін Ферми деңгейі мен вакуум деңгейінің айырмашылығын білдіретін (жалпы алғанда) әр түрлі жұмыс функцияларымен сипатталады. Егер екі элемент де жанасып кетсе, Ферми деңгейлері бір-біріне сәйкес келгенше, олардың арасында таза электр тогы ағып отырады. Жұмыс функцияларының арасындағы айырмашылықты байланыс потенциалы айырмашылығы деп атайды және әдетте VCPD арқылы белгіленеді. Электр өрісі мен үлгі арасында электростатик күш бар, себебі олардың арасындағы электр өрісі бар. Өлшеу үшін ұшы мен сынама арасында тоқ тартылады, ол DC ауытқу VDC және жиілігі ω-дің AC кернеуі VAC sin ((ωt) құрайды. AC жиілігін AFM консольінің резонанстық жиілігіне көйлектеу сезімталдықты жақсартады. Конденсатордағы электростатикалық күш элементтердің бөлінуіне қатысты энергия функциясын дифференциациялау арқылы анықталуы мүмкін және C - конденсация, z - бөліну, V - кернеу, әрқайсысы ұшы мен бетінің арасындағы. Кернеуді (V) алдыңғы формуламен ауыстыру электростатикалық күшті үш үлеске бөлуге болады, өйткені ұшына әсер ететін F жалпы электростатикалық күштің ω және 2ω жиіліктердегі спектрлік компоненттері бар. DC компоненті, FDC, топографиялық сигналға ықпал етеді, Fω термині сипаттамалық жиілікте ω байланыс потенциалын өлшеу үшін қолданылады және F2ω үлесін сыйымдылық микроскопиясы үшін пайдалануға болады.
Tuning the AC frequency to the resonant frequency of the AFM cantilever results in an improved sensitivity. The electrostatic force in a capacitor may be found by differentiating the energy function with respect to the separation of the elements and can be written as
where C is the capacitance, z is the separation, and V is the voltage, each between tip and surface. Substituting the previous formula for voltage (V) shows that the electrostatic force can be split up into three contributions, as the total electrostatic force F acting on the tip then has spectral components at the frequencies ω and 2ω. The DC component, FDC, contributes to the topographical signal, the term Fω at the characteristic frequency ω is used to measure the contact potential and the contribution F2ω can be used for capacitance microscopy.
Контакттық потенциалды өлшеу
Контакттық потенциалды өлшеу үшін ω-дағы кантиливердің тербелісін анықтау үшін бекіту күшейткіші қолданылады. Скан кезінде VDC ұшы мен сынама арасындағы электростатикалық күштер нөлге айналып, ω жиілігінде жауап нөлге айналады. Электростатикалық күш ω-дағы VDC - VCPD-ге байланысты болғандықтан, ω-терминді азайтатын VDC мәні байланыс потенциалына сәйкес келеді. Үлгілік жұмыс функциясының абсолютті мәндерін ұшы белгілі жұмыс функциясының эталондық үлгісіне сәйкес калибрленсе, алуға болады. Бұдан басқа, жоғарыда айтылғандарға қарамастан, резонанс жиілігі ω-де қалыпты топографиялық сканерлеу әдістерін қолдануға болады. Осылайша, бір скан кезінде үлгілердің топографиясы мен байланыс потенциалы бір мезгілде анықталады. Бұл (кем дегенде) екі түрлі жолмен орындалуы мүмкін: 1) Топография AC режимінде түсіріледі, яғни консольді пиезомен оның резонанстық жиілігінде қозғалады. Сонымен бірге KPFM өлшеміне арналған ауыспалы ток кернеуі консольдің резонанстық жиілігінен сәл төмен жиілікте қолданылады. Бұл өлшеу режімінде топография мен түйісу потенциалының айырмашылығы бір уақытта алынады және бұл режімді жиі бір жолмен өту деп атайды. 2) Топографияның бір сызығы байланыс немесе ауыспалы режимде түсіріледі және ішкі сақталады. Содан кейін бұл сызық қайтадан сканерленеді, ал консоль үлгіні механикалық қозғалтқышсыз белгіленген қашықтықта қалады, бірақ KPFM өлшеуішінің АТ кернеуі қолданылады және жоғарыда түсіндірілгендей байланыс потенциалы алынады. Белгілі бір маңызды жайт, қолданылған ауыспалы ток кернеуімен жақсы тербеліс болу үшін, консольдің ұшы үлгіге тым жақын болмауы керек. Сондықтан KPFM-ді AC топографиялық өлшеулер кезінде бір мезгілде, бірақ контакттық топографиялық өлшеулер кезінде орындауға болмайды.
Қолданбалар
SKP өлшенген Вольта потенциалы материалдың коррозиялық потенциалына тікелей пропорционалды, өйткені мұндай SKP коррозия мен қаптамаларды зерттеуде кеңінен қолданылған. Мысалы, сырлау саласында SKP алюминий қорытпаларында жылу өндіретін затты қамтитын, өзін-өзі қалпына келтіретін пішін жады полимерлік сырлаудың сызылған аймағын өлшеді. Бастапқыда сызық жасалғаннан кейін Вольта потенциалы сызыққа қарағанда үлгідегіге қарағанда айтарлықтай жоғары және кең болды, бұл аймақтың коррозияға ұшырауы ықтимал екенін білдіреді. Вольта потенциалы кейінгі өлшеулер кезінде төмендеді, ақыр соңында сызық үстіне түсетін шың мүлдем жоғалды, бұл қабықтың айыққандығын білдіреді. SKP қаптамаларды қиратусыз зерттеу үшін пайдаланылуы мүмкін болғандықтан, ол қаптаманың бұзылуын анықтау үшін де қолданылды. Полиуретан қаптамаларын зерттеу барысында жұмыс функциясы жоғары температура мен ылғалға көбірек ұшыраған сайын артатыны байқалды. Жұмыс функциясының бұл өсуі қабаттың ықтимал гидролизімен байланысты қабаттың ыдырауымен байланысты. SKP көмегімен өнеркәсіптік маңызды қорытпалардың коррозиясы өлшенді. SKP көмегімен қоршаған ортаның коррозияға әсерін зерттеуге болады. Мысалы, микробиологиялық коррозиядан залалсыздандырылған шикізат пен титанның коррозиясы зерттелді. SKP осы коррозияны зерттеу үшін пайдалы, өйткені ол әдетте жергілікті жерде пайда болады, сондықтан жаһандық әдістер нашар сәйкес келеді. SKP өлшеулері жергілікті коррозияның артуына байланысты беткі потенциалдың өзгеруін көрсетті. Сонымен қатар, микроорганизмдердің әртүрлі түрлерінің коррозиясын салыстыруға мүмкіндік болды. SKP-ны адам ағзасында коррозияға ұшырауы мүмкін биомедициналық қорытпа материалдарын зерттеу үшін қолданды. Ти 15Mo-ны жалынды жағдайларда зерттеулерде SKP өлшеулері коррозия орнының түбінде оксидтен қорғалған қорытпа бетінен гөрі төмен коррозияға төзімділікті көрсетті. SKP атмосфералық коррозияның әсерін зерттеу үшін де қолданылды, мысалы, теңіз ортасындағы мыс қорытпаларын зерттеу үшін. Бұл зерттеуде Кельвин потенциалы оңтайлы болды, бұл коррозия өнімдерінің қалыңдығының артуына байланысты әсер ету уақытының ұлғаюымен коррозияның оңтайлы әлеуетін көрсетеді. Соңғы мысал ретінде SKP газ құбырының симуляциялық жағдайларында тот баспайтын болатты зерттеу үшін пайдаланылды. Бұл өлшеулер коррозияның жоғары ықтималдығын көрсететін катодтық және анодтық аймақтардың коррозиялық әлеуетінің айырмашылығының артуын көрсетті. Сонымен қатар, SKP өлшеулері басқа әдістермен мүмкін емес жергілікті коррозия туралы ақпаратты берді. SKP күн батареяларында қолданылатын материалдардың беткі әлеуетін зерттеу үшін пайдаланылды, оның артықшылығы - бұл байланыс емес, сондықтан де бұзғыш емес техника. Ол әр түрлі материалдардың электрондық жақындығын анықтау үшін қолданылуы мүмкін, бұл өз кезегінде әртүрлі материалдардың өткізгіш жолақтарының энергия деңгейінің ауыспалылығын анықтауға мүмкіндік береді. Бұл жолақтың энергия деңгейінің бір-бірімен жапсарласуы жүйедегі беткі фотовольттік жауапқа байланысты. Шектеусіз, жойғыш емес техника ретінде SKP сот-медициналық зерттеулер үшін қызығушылық туғызатын материалдардың жасырын саусақ іздерін зерттеу үшін пайдаланылды. Металл бетіне саусақ іздері қалдырылған кезде олар қызығушылық туғызатын материалдың жергілікті коррозиясын тудыратын тұздарды қалдырады. Бұл үлгідегі Вольта потенциалының өзгеруіне әкеледі, оны SKP анықтайды. SKP осы талдаулар үшін өте пайдалы, өйткені ол Вольта потенциалының өзгеруін қыздырудан немесе майымен жапқаннан кейін де байқай алады. SKP-мен метеориттер бар шриберситтің коррозиялық механизмдерін талдау үшін пайдаланылды. Бұл зерттеулердің мақсаты - пребиотикалық химияда қолданылатын түрлерді шығарудағы осындай метеориттердің рөлін зерттеу. Биология саласында СКП жарақаттану және акупунктура нүктелеріне байланысты электр өрістерін зерттеу үшін пайдаланылды. Электрондық техника саласында KPFM жоғары k шлюз оксидтерінде/электрондық құрылғылардың интерфейстерінде зарядты ұстап қалуды зерттеу үшін қолданылады.