Kelwinowska mikroskopia siły sondy (KPFM, z ang. Kelvin Probe Force Microscopy) – technika mikroskopii skaningowej, będąca odmianą mikroskopii sił atomowych (AFM), umożliwiająca mapowanie lokalnych różnic elektrycznych potencjałów kontaktowych i pracy wyjścia powierzchni materiałów z nanometrową rozdzielczością[1], mierząc prąd sondy z dokładnością do pojedynczych elektronów[2][3]. Technika KPFM pozwala badać materiały przewodzące[4], półprzewodniki[5], izolatory[6] oraz biologicznych[7].
Zasada działania
edytujKPFM mierzy różnicę elektrycznych potencjałów kontaktowych (CPD, z ang. Contact Potential Difference) między sondą AFM a powierzchnią próbki. Sonda nie dotyka próbki, a układ próbka-sonda jest traktowany jako kondensator. Różnica pracy wyjścia próbki i sondy powoduje zgromadzenie się ładunku na sondzie oraz powstanie sił elektrostatycznych działających na sondę, co wywołuje jej drgania. Sonda zasilana jest napięciem będącym sumą napięcia stałego (DC) i zmiennego (AC). Poprzez modulację AC oraz odpowiednią korekcję DC można uzyskać mapę lokalnego potencjału powierzchniowego[5][1]. Technika występuje w dwóch wariantach: AM-KPFM (modulacja amplitudy) oraz FM-KPFM (modulacja częstotliwości), różniących się metodą detekcji sygnału[8].
Zastosowania
edytujKPFM znalazła zastosowanie w różnych dziedzinach, np.:
- materiały półprzewodnikowe – mapowanie różnic pracy wyjścia między ziarnami i defektami w nanostrukturach półprzewodnikowych[9].
- korozja i powłoki ochronne – ocena lokalnych zmian potencjałów związanych z procesami korozji[10].
- materiały dielektryczne – pomiar rozkładu ładunku i lokalnych pól na powierzchni[6].
Historia
edytujTechnika ta jest rozwinięciem elektrometru kwadrantowego, zwanego sondą Kelwina (na cześć jego wynalazcy), służącego do dokładnego pomiaru różnic potencjałów kontaktowych między materiałami przewodzącymi. W latach 90. XX wieku metoda została połączona z mikroskopią siły atomowej, umożliwiając nanoskalowe mapowanie potencjałów powierzchniowych[11].
Zobacz też
edytuj
Przypisy
edytuj- ↑ a b S. Pouch i inni, Electronic structure investigation of Al 0.7 Ga 0.3 As/GaAs nanometric heterostructures by Kelvin force microscopy, „RSC Advances”, 6 (8), 2016, s. 6782–6787, DOI: 10.1039/C5RA24505B [dostęp 2026-03-10] (ang.).
- ↑ Borowik, T. Nguyen-Tran, P. Roca i Cabarrocas, T. Mélin, Doped semiconductor nanocrystal junctions, „Journal of Applied Physics”, 114 (20), 2013, art. nr 204305, DOI: 10.1063/1.4834516 [dostęp 2026-03-10] (ang.).
- ↑ Borowik i inni, Mapping charge transfers between quantum levels using noncontact atomic force microscopy, „Physical Review B”, 82 (7), 2010, art. nr 073302, DOI: 10.1103/PhysRevB.82.073302 [dostęp 2026-03-10] (ang.).
- ↑ Pablo A. Fernández Garrillo, Benjamin Grévin, Nicolas Chevalier, Łukasz Borowik, Calibrated work function mapping by Kelvin probe force microscopy, „Review of Scientific Instruments”, 89 (4), 2018, art. nr 043702, DOI: 10.1063/1.5007619 [dostęp 2026-03-10] (ang.).
- ↑ a b Sylvain Pouch i inni, Work Function Measurement of Silicon Germanium Heterostructures Combining Kelvin Force Microscopy and X-ray Photoelectron Emission Microscopy, „The Journal of Physical Chemistry C”, 119 (47), 2015, s. 26776–26782, DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b09278 [dostęp 2026-03-10] (ang.).
- ↑ a b Yongxing Shen, David M. Barnett, Peter M. Pinsky, Simulating and interpreting Kelvin probe force microscopy images on dielectrics with boundary integral equations, „Review of Scientific Instruments”, 79 (2), 2008, art. nr 023711, DOI: 10.1063/1.2885679 [dostęp 2026-03-10] (ang.).
- ↑ Eric Birkenhauer, Suresh Neethirajan, Surface Potential Measurement of Bacteria Using Kelvin Probe Force Microscopy, „Journal of Visualized Experiments” (93), 2014, art. nr e52327, DOI: 10.3791/52327, PMID: 25490605, PMCID: PMC4354437 [dostęp 2026-03-10] (ang.).
- ↑ Łukasz Borowik, Koku Kusiaku, Didier Théron, Thierry Mélin, Calculating Kelvin force microscopy signals from static force fields, „Applied Physics Letters”, 96 (10), 2010, art. nr 103119, DOI: 10.1063/1.3323098 [dostęp 2026-03-10] (ang.).
- ↑ S. Sadewasser, Th. Glatzel, M. Rusu, A. Jäger-Waldau, M.Ch. Lux-Steiner, High-resolution work function imaging of single grains of semiconductor surfaces, „Applied Physics Letters”, 80 (16), 2002, s. 2979–2981, DOI: 10.1063/1.1471375 [dostęp 2026-03-10] (ang.).
- ↑ Ceylan Senöz, Michael Rohwerder, Scanning Kelvin probe force microscopy for the in situ observation of the direct interaction between active head and intermetallic particles in filiform corrosion on aluminium alloy, „Electrochimica Acta”, 56 (26), 2011, s. 9588–9595, DOI: 10.1016/j.electacta.2011.02.052 [dostęp 2026-03-10] (ang.).
- ↑ M. Nonnenmacher, M.P. O’Boyle, H.K. Wickramasinghe, Kelvin probe force microscopy, „Applied Physics Letters”, 58 (25), 1991, s. 2921–2923, DOI: 10.1063/1.105227 [dostęp 2026-03-10] (ang.).
