Введение

Неконтактный вариант атомной силовой микроскопии КПФМ, также известный как поверхностная потенциальная микроскопия, является неконтактным вариантом атомной силовой микроскопии (АФМ). Растровое сканирование в плоскости x,y позволяет локально отобразить рабочую функцию образца для корреляции с характеристиками образца. При небольшом увеличении или отсутствии увеличения этот подход можно описать как использование сканирующего зонда Кельвина (SKP). Эти методы используются преимущественно для измерения коррозии и покрытий. С KPFM можно наблюдать рабочую функцию поверхностей в атомном или молекулярном масштабе. Рабочая функция связана со многими поверхностными явлениями, включая каталитическую активность, реконструкцию поверхностей, допинг и изгиб полосы полупроводников, захват заряда в диэлектриках и коррозию. Карта рабочей функции, созданная KPFM, дает информацию о составе и электронном состоянии локальных структур на поверхности твердого тела.

История

Техника SKP основана на экспериментах с параллельными пластинами конденсатора, проведенных лордом Кельвином в 1898 году. В 1930-х годах Уильям Зисман основывался на экспериментах лорда Кельвина, чтобы разработать технику измерения различий контактного потенциала различных металлов.

Принцип работы

В СКП зонд и образец держатся параллельно друг другу и электрически соединены, образуя параллельный конденсатор. Зонд выбирается из другого материала, чем образец, поэтому каждый компонент изначально имеет отдельный уровень Ферми. При электрическом соединении между зондом и образцом может происходить поток электронов между зондом и образцом в направлении от более высокого до более низкого уровня Ферми. Этот поток электронов вызывает уравновешенность уровня Ферми зонда и образца. Кроме того, на зонде и образце образуется поверхностный заряд с соответствующей разностью потенциалов, известной как контактный потенциал (Vc). При SKP зонд вибрирует вдоль перпендикулярной плоскости образца. Эта вибрация вызывает изменение расстояния зонда от образца, что, в свою очередь, приводит к потоку тока, принимая форму синусоидальной волны. Полученная синусоидальная волна демодулируется в постоянный сигнал с помощью блокировки в усилителе. Обычно пользователь должен выбрать правильное значение эталонной фазы, используемое блокировкой усилителя. После определения постоянного потенциала можно применить внешний потенциал, известный как потенциал поддержки (Vb), чтобы свести на нет заряд между зондом и образцом. Когда заряд аннулируется, уровень Ферми образца возвращается в исходное положение. Это означает, что Vb равен Vc, которая является разностью рабочей функции между зондом SKP и измеренным образцом. Контейнер в AFM представляет собой референтный электрод, который образует конденсатор с поверхностью, над которой он сканируется боковым направлением с постоянным разделением. Контейнер не управляется пьезоэлектрическим приводом при его механической резонансной частоте ω0, как в обычном AFM, хотя на этой частоте применяется напряжение переменного тока (AC). Когда между концом и поверхностью существует разница потенциалов постоянного тока (DC), смещение напряжения AC+DC приводит к вибрации консольного уровня. Происхождение силы можно понять, если принять во внимание, что энергия конденсатора, образованная консолью и поверхностью, равна плюс терминам при постоянном токе. Только поперечный член, пропорциональный произведению VDC·VAC, находится на частоте резонанса ω0. Вибрация консольного лебедя обнаруживается при помощи обычных методов сканированной зондовой микроскопии (обычно с использованием диодного лазера и четырехквадрантного детектора). Нулевая цепь используется для приведения постоянного потенциала наконечника к значению, которое минимизирует вибрацию. Карта этого нулевого потенциала постоянного тока по отношению к координатам бокового положения, таким образом, дает изображение рабочей функции поверхности. Схожая техника, электростатическая силовая микроскопия (EFM), напрямую измеряет силу, производимую на заряженном конце электрическим полем, исходящим с поверхности. EFM работает так же, как магнитная силовая микроскопия, в которой для обнаружения электрического поля используется смещение частоты или изменение амплитуды колебаний консольного уровня. Однако EFM гораздо более чувствителен к топографическим артефактам, чем KPFM. И EFM, и KPFM требуют использования проводящих кантиливеров, как правило, металлического кремния или нитрида кремния. Другой метод, основанный на AFM, для визуализации электростатических поверхностных потенциалов, сканирующая квантовая точечная микроскопия, количественно определяет поверхностные потенциалы на основе их способности к вхождению в прикрепленную к кончику квантовую точку.

Факторы, влияющие на измерения КПК

На качество измерения SKP влияет ряд факторов. Это включает в себя диаметр зонда SKP, расстояние зонда до образца и материал зонда SKP. Диаметр зонда важен при измерении SKP, потому что он влияет на общее разрешение измерения, при этом меньшие зоны приводят к улучшению разрешения. С другой стороны, уменьшение размера зонда приводит к увеличению эффектов фринжирования, что снижает чувствительность измерения за счет увеличения измерения пробежных емкостей. Это происходит по ряду причин. Различные материалы имеют разные значения рабочей функции, которые влияют на измеренный контактный потенциал. Различные материалы имеют разную чувствительность к изменениям влажности. Материал также может влиять на полученное боковое разрешение измерения SKP. В коммерческих зондах используется вольфрам, хотя были использованы зонды из платины, меди, золота и NiCr. Расстояние от зонда до образца влияет на окончательное измерение SKP, при этом меньшее расстояние от зонда до образца улучшает боковое разрешение. Кроме того, уменьшение зонда SKP до дистанции отбора образцов увеличивает интенсивность измерения, где интенсивность измерения пропорциональна 1/d2, где d - это расстояние от зонда до образца. Влияние изменения дальности зонда на дальность пробы на измерение может быть компенсировано с помощью SKP в режиме постоянного расстояния.

Рабочая функция

Микроскоп силового зонда Кельвина или микроскоп силового зонда Кельвина (KFM) основан на установке AFM, а определение рабочей функции основано на измерении электростатических сил между небольшим кончиком AFM и образцом. Проводящий кончик и образец характеризуются (в целом) разными рабочими функциями, которые представляют собой разницу между уровнем Ферми и уровнем вакуума для каждого материала. Если оба элемента соприкоснутся, то между ними будет протекать чистый электрический ток, пока уровни Ферми не будут выравниваться. Разница между рабочими функциями называется разностью контактного потенциала и обозначается обычно VCPD. Между кончиком и образцом существует электростатическая сила из-за электрического поля между ними. Для измерения между кончиком и образцом применяется напряжение, состоящее из напряжения постоянного тока VDC и напряжения переменного тока VAC sin ((ωt) частоты ω. Настройка частоты переменного тока на резонансную частоту консольной панели AFM приводит к улучшению чувствительности. Электростатическая сила в конденсаторе может быть найдена путем дифференцирования энергетической функции относительно разделения элементов и может быть записана как где C - емкость, z - разделение, а V - напряжение, каждое между концом и поверхностью. Замена предыдущей формулы на напряжение (V) показывает, что электростатическая сила может быть разделена на три вклада, поскольку общая электростатическая сила F, действующая на кончик, имеет тогда спектральные компоненты на частотах ω и 2ω. Компонент постоянного тока, FDC, вносит свой вклад в топографический сигнал, термин Fω на характерной частоте ω используется для измерения контактного потенциала, а вклад F2ω может использоваться для емкостной микроскопии.

Измерения контактного потенциала

Для измерения контактного потенциала используется амплификатор блокировки для обнаружения колебаний консольного уровня на ω. Во время сканирования VDC будет регулироваться таким образом, чтобы электростатические силы между концом и образцом становились нулевыми, и, таким образом, ответ на частоте ω становится нулевым. Поскольку электростатическая сила при ω зависит от VDC − VCPD, значение VDC, которое минимизирует ω-термин, соответствует контактному потенциалу. Абсолютные значения рабочей функции образца могут быть получены, если сначала калибровать наконечник по сравнению с эталонной пробой известной рабочей функции. Кроме того, можно использовать обычные методы топографического сканирования на резонансной частоте ω независимо от вышеперечисленного. Таким образом, в одном сканировании топография и контактный потенциал образца определяются одновременно. Это можно сделать (по крайней мере) двумя различными способами: 1) Топография захватывается в режиме переменного тока, что означает, что консоль приводится в движение пьезонапорным устройством на его резонансной частоте. Одновременно напряжение переменного тока для измерения KPFM применяется на частоте, немного ниже резонансной частоты консольного уровня. В этом режиме измерения топография и разница контактных потенциалов фиксируются одновременно, и этот режим часто называют однопроходным. 2) Одна линия топографии фиксируется в контактном или переменном режиме и хранится внутри. Затем эта линия сканируется снова, в то время как консоль остается на определенном расстоянии от образца без механически управляемой колебания, но применяется напряжение переменного тока измерения KPFM и захватывается контактный потенциал, как объяснено выше. Важно отметить, что кончик консоля не должен быть слишком близко к образцу, чтобы обеспечить хорошее колебание при применении переменного напряжения. Поэтому KPFM может выполняться одновременно во время топографических измерений переменного тока, но не во время топографических измерений контактного топографического тока.

Приложения

Потенциал Вольта, измеренный с помощью SKP, прямо пропорционален потенциалу коррозии материала, поскольку такой SKP получил широкое применение в исследованиях в области коррозии и покрытий. Например, в области покрытий, покрытие из полимера с памятью о самовосстановлении формы, содержащее теплогенерирующий агент на алюминиевых сплавах, было измерена SKP. Первоначально после того, как была сделана царапина, потенциал Вольта был заметно выше и шире над царапиной, чем над остальной частью образца, что означает, что эта область с большей вероятностью будет коррозировать. Потенциал Вольта уменьшился при последующих измерениях, и в конечном итоге пик над царапиной полностью исчез, что означает, что покрытие зажило. Поскольку SKP может использоваться для исследования покрытий неразрушительным способом, он также используется для определения повреждения покрытия. В исследовании полиуретанных покрытий было замечено, что рабочая функция увеличивается с увеличением воздействия высокой температуры и влажности. Это увеличение рабочей функции связано с разложением покрытия, вероятно, от гидролиза связей внутри покрытия. С помощью SKP была измерена коррозия промышленно важных сплавов. В частности, с помощью SKP можно исследовать влияние стимулов окружающей среды на коррозию. Например, была исследована микробиологическая коррозия нержавеющей стали и титана. SKP полезен для изучения такого рода коррозии, потому что она обычно происходит локально, поэтому глобальные методы плохо подходят. Изменения потенциала поверхности, связанные с увеличением локализованной коррозии, были показаны измерениями SKP. Кроме того, можно было сравнить коррозию, вызванную различными микробными видами. В другом примере SKP использовался для исследования биомедицинских сплавных материалов, которые могут быть коррозионными в человеческом теле. В исследованиях Ti 15Mo в условиях возгорания, измерения SKP показали более низкую коррозионную стойкость на дне коррозионной ямы, чем на оксид защищенной 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 с увеличением времени воздействия из-за увеличения толщины продуктов коррозии. В качестве последнего примера SKP использовался для исследования нержавеющей стали в симулированных условиях газопровода. Эти измерения показали увеличение разницы в потенциале коррозии катодных и анодных областей с увеличением времени коррозии, что указывает на более высокую вероятность коррозии. Кроме того, эти измерения SKP предоставили информацию о местной коррозии, которая была невозможна с помощью других методов. SKP использовался для исследования поверхностного потенциала материалов, используемых в солнечных элементах, с тем преимуществом, что это неконтактная, а, следовательно, неразрушающая техника. Он может быть использован для определения электронного аффинитета различных материалов, что, в свою очередь, позволяет определять перекрытие энергетического уровня проводимых полос различных материалов. Совпадение энергетических уровней этих полос связано с реакцией поверхностного фотовольтового напряжения системы. В качестве неконтактной, неразрушающей техники SKP используется для исследования латентных отпечатков пальцев на материалах, представляющих интерес для судебно-медицинских исследований. Когда отпечатки пальцев оставляются на металлической поверхности, они оставляют после себя соли, которые могут вызвать локальную коррозию интересующего материала. Это приводит к изменению потенциала Вольта образца, который может быть обнаружен с помощью SKP. SKP особенно полезен для этих анализов, потому что он может обнаруживать это изменение потенциала Вольты даже после нагрева или покрытия, например, маслами. SKP использовался для анализа механизмов коррозии шриберсита, содержащего метеориты. Целью этих исследований было исследование роли таких метеоритов в выпуске видов, используемых в пребиотической химии. В области биологии СКП используется для исследования электрических полей, связанных с ранением и точками иглоукалывания. В области электроники KPFM используется для исследования заряда, улавливаемого в оксидах/интерфейсах электронных устройств с высоким k-ворот.