Kelvin sond kraftmikroskop

I Kelvin-sondkraftmikroskopi skannas en ledande fribärare över en yta på konstant höjd för att kartlägga ytans arbetsfunktion.

Ett typiskt skanningsinstrument för Kelvin-sond (SKP). Till vänster finns styrenheten med lock-in förstärkare och backing potential controller. Till höger är x, y, z skanningsaxeln med vibrator, elektrometer och sond monterade.

Kelvin-sondkraftmikroskopi ( KPFM ), även känd som ytpotentialmikroskopi , är en beröringsfri variant av atomkraftsmikroskopi (AFM). Genom rasterskanning i x,y-planet kan provets arbetsfunktion kartläggas lokalt för korrelation med sampelegenskaper. När det finns liten eller ingen förstoring kan detta tillvägagångssätt beskrivas som att man använder en skanande Kelvin-sond ( SKP ). Dessa tekniker används främst för att mäta korrosion och beläggningar .

Med KPFM kan ytornas arbetsfunktion observeras på atomär eller molekylär skala. Arbetsfunktionen relaterar till många ytfenomen, inklusive katalytisk aktivitet , rekonstruktion av ytor, dopning och bandböjning av halvledare , laddningsfångning i dielektrikum och korrosion . Kartan över arbetsfunktionen producerad av KPFM ger information om sammansättningen och det elektroniska tillståndet för de lokala strukturerna på ytan av ett fast ämne.

Historia

SKP-tekniken är baserad på parallellplatta kondensatorexperiment utförda av Lord Kelvin 1898. På 1930-talet byggde William Zisman på Lord Kelvins experiment för att utveckla en teknik för att mäta kontaktpotentialskillnader för olika metaller .

Arbetsprincip

Ändringarna av Fermi-nivåerna för scanning Kelvin-proben (SKP) provet och sonden under mätningen visas. Vid elektrisk anslutning av sonden och provet utjämnas deras Fermi-nivåer , och en laddning utvecklas vid sonden och provet. En stödpotential appliceras för att nollställa denna laddning, vilket återställer provets Fermi-nivå till sin ursprungliga position.

I SKP hålls sonden och provet parallellt med varandra och elektriskt anslutna för att bilda en parallell plattkondensator. Sonden väljs för att vara av ett annat material än provet, därför har varje komponent initialt en distinkt Fermi-nivå . När elektrisk anslutning görs mellan sonden och provet elektronflödet ske mellan sonden och provet i riktning mot den lägre till den högre Fermi-nivån [ . Detta elektronflöde orsakar jämvikt mellan sondens och provets Fermi-nivåer. Vidare utvecklas en ytladdning på sonden och provet, med en relaterad potentialskillnad känd som kontaktpotentialen (Vc ₎ . I SKP vibreras sonden längs en vinkelrät mot provets plan. Denna vibration orsakar en förändring av sond till provavstånd, vilket i sin tur resulterar i att strömflödet tar formen av en växelströmsvåg . Den resulterande ac sinusvågen demoduleras till en likströmssignal med hjälp av en låst förstärkare . Vanligtvis måste användaren välja det korrekta referensfasvärdet som används av inlåsningsförstärkaren. När väl likströmspotentialen har bestämts kan en extern potential, känd som stödpotentialen (Vb) _appliceras för att nollställa laddningen mellan sonden och provet. När laddningen nollställs återgår provets Fermi-nivå till sin ursprungliga position. Detta betyder att Vb _är lika med -Vc _, vilket är arbetsfunktionsskillnaden mellan SKP-sonden och det uppmätta provet.

Förenklad illustration av scanning Kelvin probe (SKP) teknik. Sonden visas vibrera i z, vinkelrätt mot provplanet. Sonden och provet bildar en parallell plattkondensator som visas.

Blockschema över ett skanningsinstrument för Kelvin-sond (SKP) som visar dator, kontrollenhet, skanningsaxlar, vibrator, sond och prov

₀ Fribäraren i AFM är en referenselektrod som bildar en kondensator med ytan, över vilken den skannas i sidled vid en konstant separation. Fribäraren drivs inte piezoelektriskt vid sin mekaniska resonansfrekvens ω som i normal AFM även om en växelström (AC) spänning appliceras vid denna frekvens.

När det finns en potentialskillnad i likström (DC) mellan spetsen och ytan, kommer AC+DC-spänningsförskjutningen att få konsolen att vibrera. Ursprunget till kraften kan förstås genom att beakta att energin hos kondensatorn som bildas av fribäraren och ytan är

$E={\frac {1}{2}}C[V_{DC}+V_{AC}\sin(\omega _{0}t)]^{2}={\frac {1}{2}}C[2V_{DC}V_{AC}\sin(\omega _{0}t)-{\frac {1}{2}}V_{AC}^{2}\cos( 2\omega _{0}t)]$

₀ plusvillkor på DC. Endast korstermen som är proportionell mot _. VDC ·V _AC - produkten är vid resonansfrekvensen ω Den resulterande vibrationen från konsolen detekteras med hjälp av vanliga skannade prob-mikroskopmetoder (vanligtvis involverar en diodlaser och en fyrkvadrantdetektor). En nollkrets används för att driva spetsens DC-potential till ett värde som minimerar vibrationen. En karta över denna nollspänningspotential kontra sidopositionskoordinaten ger därför en bild av ytans arbetsfunktion.

En relaterad teknik, elektrostatisk kraftmikroskopi (EFM), mäter direkt kraften som produceras på en laddad spets av det elektriska fältet som emanerar från ytan. EFM fungerar ungefär som magnetisk kraftmikroskopi genom att frekvensförskjutningen eller amplitudförändringen av fribärande oscillation används för att detektera det elektriska fältet. EFM är dock mycket känsligare för topografiska artefakter än KPFM. Både EFM och KPFM kräver användning av ledande konsoler, vanligtvis metallbelagd kisel eller kiselnitrid . En annan AFM-baserad teknik för avbildning av elektrostatiska ytpotentialer, scanning quantum dot microscopy , kvantifierar ytpotentialer baserat på deras förmåga att gate en spetsfäst kvantprick.

Faktorer som påverkar SKP-mätningar

Kvaliteten på en SKP-mätning påverkas av ett antal faktorer. Detta inkluderar diametern på SKP-sonden, avståndet mellan sonden och provet och materialet i SKP-sonden. Sonddiametern är viktig i SKP-mätningen eftersom den påverkar mätningens övergripande upplösning, med mindre prober som leder till förbättrad upplösning. Å andra sidan orsakar en minskning av sondens storlek en ökning av kanteffekter, vilket minskar mätningens känslighet genom att öka mätningen av strökapacitanser. Materialet som används i konstruktionen av SKP-sonden är viktigt för kvaliteten på SKP-mätningen. Detta inträffar av ett antal anledningar. Olika material har olika arbetsfunktionsvärden vilket påverkar den uppmätta kontaktpotentialen. Olika material har olika känslighet för fuktförändringar. Materialet kan också påverka den resulterande laterala upplösningen av SKP-mätningen. I kommersiella sonder används volfram , även om sonder av platina , koppar , guld och NiCr har använts. Avståndet mellan sonden och samplingen påverkar den slutliga SKP-mätningen, med mindre avstånd mellan sond och sampling som förbättrar den laterala upplösningen och signal- brusförhållandet för mätningen. Att reducera SKP-sonden till provavstånd ökar dessutom mätningens intensitet, där mätningens intensitet är proportionell mot 1/d ² , där d är avståndet mellan sonden och provtagningen. Effekterna av att ändra sond till provavstånd på mätningen kan motverkas genom att använda SKP i konstant avståndsläge.

Arbetsfunktion

Kelvin-sondkraftmikroskopet eller Kelvin-kraftmikroskopet (KFM) är baserat på en AFM-uppställning och bestämningen av arbetsfunktionen baseras på mätningen av de elektrostatiska krafterna mellan den lilla AFM-spetsen och provet. Den ledande spetsen och provet kännetecknas av (i allmänhet) olika arbetsfunktioner, som representerar skillnaden mellan Fermi- nivån och vakuumnivån för varje material. Om båda elementen fördes i kontakt, skulle en netto elektrisk ström flyta mellan dem tills Fermi-nivåerna var inriktade. Skillnaden mellan arbetsfunktionerna kallas kontaktpotentialskillnaden och betecknas generellt med VCPD _. En elektrostatisk kraft finns mellan spetsen och provet på grund av det elektriska fältet mellan dem. För mätningen appliceras en spänning mellan spets och prov, bestående av en DC-förspänning en _VDC och AC-spänning _. VAC sin(ωt) med frekvensen ω

$V=(V_{DC}-V_{CPD})+V_{AC}\cdot \sin(\ omega t)$

Att ställa in AC-frekvensen till AFM-konsolens resonansfrekvens resulterar i en förbättrad känslighet. Den elektrostatiska kraften i en kondensator kan hittas genom att differentiera energifunktionen med avseende på separationen av elementen och kan skrivas som

$F={\frac {1}{2}}{\frac {dC}{dz}}V^{2}$

där C är kapacitansen, z är separationen och V är spänningen, var och en mellan spets och yta. Att ersätta den tidigare formeln för spänning (V) visar att den elektrostatiska kraften kan delas upp i tre bidrag, eftersom den totala elektrostatiska kraften F som verkar på spetsen då har spektrala komponenter vid frekvenserna ω och 2ω .

$F=F_{DC}+F_{\omega }+F_{2\omega }$

DC-komponenten, F _DC , bidrar till den topografiska signalen, termen F _ω vid den karakteristiska frekvensen ω används för att mäta kontaktpotentialen och bidraget F _2ω kan användas för kapacitansmikroskopi.

$F_{DC}={\frac {dC}{dz}}\vänster [{\frac {1}{2}}(V_{DC}-V_{CPD})^{2}+{\frac {1}{4}}V_{AC}^{2}\right]$

$F_{\omega }={\frac {dC}{dz}}[V_{DC}- V_{CPD}]V_{AC}\sin(\omega t)$

$F_{2\omega }=- {\frac {1}{4}}{\frac {dC}{dz}}V_{AC}^{2}\cos(2\omega t)$

Kontakta potentiella mätningar

För kontaktpotentialmätningar används en låsningsförstärkare för att detektera fribärande oscillation vid ω . Under skanningen V _DC att justeras så att de elektrostatiska krafterna mellan spetsen och provet blir noll och därmed blir svaret vid frekvensen ω noll. Eftersom den elektrostatiska kraften vid ω beror på V _DC − V _CPD , motsvarar värdet på V _DC som minimerar ω -termen kontaktpotentialen. Absoluta värden för provarbetsfunktionen kan erhållas om spetsen först kalibreras mot ett referensprov med känd arbetsfunktion. Bortsett från detta kan man använda de normala topografiska avsökningsmetoderna vid resonansfrekvensen ω oberoende av ovanstående. I en skanning bestäms alltså topografin och kontaktpotentialen för provet samtidigt. Detta kan göras på (minst) två olika sätt: 1) Topografin fångas i AC-läge vilket innebär att fribäraren drivs av en piezo vid dess resonansfrekvens. Samtidigt appliceras AC-spänningen för KPFM-mätningen vid en frekvens som är något lägre än konsolens resonansfrekvens. I detta mätläge fångas topografin och kontaktpotentialskillnaden samtidigt och detta läge kallas ofta single-pass. 2) En rad av topografin fångas antingen i kontakt- eller AC-läge och lagras internt. Sedan skannas denna linje igen, medan fribäraren förblir på ett definierat avstånd till provet utan en mekaniskt driven oscillation men växelspänningen för KPFM-mätningen appliceras och kontaktpotentialen fångas upp som förklarat ovan. Det är viktigt att notera att den fribärande spetsen inte får vara för nära provet för att tillåta god oscillation med pålagd växelspänning. Därför kan KPFM utföras samtidigt under AC-topografimätningar men inte under kontakttopografimätningar.

Ansökningar

Volta- potentialen som mäts av SKP är direkt proportionell mot korrosionspotentialen hos ett material, eftersom en sådan SKP har funnit utbredd användning i studier av områdena korrosion och beläggningar. Inom området beläggningar till exempel, mättes ett repat område av en självläkande formminnespolymerbeläggning innehållande ett värmealstrande medel på aluminiumlegeringar av SKP. Inledningsvis efter att repan gjordes var Volta-potentialen märkbart högre och bredare över repan än över resten av provet, vilket antyder att denna region är mer sannolikt att korrodera. Voltapotentialen minskade under efterföljande mätningar, och så småningom försvann toppen över repan helt, vilket tyder på att beläggningen har läkt. Eftersom SKP kan användas för att undersöka beläggningar på ett oförstörande sätt har det också använts för att fastställa beläggningsfel. I en studie av polyuretanbeläggningar såg man att arbetsfunktionen ökar med ökande exponering för hög temperatur och luftfuktighet. Denna ökning i arbetsfunktion är relaterad till sönderdelning av beläggningen troligen från hydrolys av bindningar inuti beläggningen.

Med SKP har korrosionen av industriellt viktiga legeringar mätts. I synnerhet med SKP är det möjligt att undersöka effekterna av miljöstimulans på korrosion. Till exempel har den mikrobiellt inducerade korrosionen av rostfritt stål och titan undersökts. SKP är användbart för att studera denna typ av korrosion eftersom den vanligtvis förekommer lokalt, därför är globala tekniker dåligt lämpade. Ytpotentialförändringar relaterade till ökad lokal korrosion visades av SKP-mätningar. Dessutom var det möjligt att jämföra den resulterande korrosionen från olika mikrobiella arter. I ett annat exempel användes SKP för att undersöka biomedicinska legeringsmaterial som kan korroderas i människokroppen. I studier på Ti-15Mo under inflammatoriska förhållanden visade SKP-mätningar en lägre korrosionsbeständighet i botten av en korrosionsgrop än på legeringens oxidskyddade yta . SKP har även använts för att undersöka effekterna av atmosfärisk korrosion, till exempel för att undersöka kopparlegeringar i marin miljö. I denna studie blev Kelvin-potentialerna mer positiva, vilket tyder på en mer positiv korrosionspotential, med ökad exponeringstid, på grund av en ökning av tjockleken på korrosionsprodukter. Som ett sista exempel användes SKP för att undersöka rostfritt stål under simulerade gasledningsförhållanden. Dessa mätningar visade en ökning av skillnaden i korrosionspotential för katodiska och anodiska områden med ökad korrosionstid, vilket indikerar en högre sannolikhet för korrosion. Dessutom gav dessa SKP-mätningar information om lokal korrosion, vilket inte är möjligt med andra tekniker.

SKP har använts för att undersöka ytpotentialen hos material som används i solceller , med fördelen att det är en icke-kontakt, och därför en oförstörande teknik. Den kan användas för att bestämma elektronaffiniteten för olika material i sin tur så att energinivåöverlappningen av ledningsband av olika material kan bestämmas. Energinivåöverlappningen för dessa band är relaterad till ytfotospänningsresponsen hos ett system.

Som en icke-kontakt, oförstörande teknik har SKP använts för att undersöka latenta fingeravtryck på material av intresse för rättsmedicinska studier. När fingeravtryck lämnas på en metallyta lämnar de efter sig salter som kan orsaka lokal korrosion av materialet av intresse. Detta leder till en förändring i voltapotential för provet, vilket kan detekteras av SKP. SKP är särskilt användbart för dessa analyser eftersom det kan upptäcka denna förändring i voltapotential även efter uppvärmning, eller beläggning med till exempel oljor.

SKP har använts för att analysera korrosionsmekanismerna hos meteoriter som innehåller schreibersit . Syftet med dessa studier har varit att undersöka vilken roll sådana meteoriter har för att frigöra arter som används i prebiotisk kemi.

Inom biologin har SKP använts för att undersöka de elektriska fält som är förknippade med sår- och akupunkturpunkter .

Inom elektronikområdet används KPFM för att undersöka laddningsfångningen i High-k-gateoxider/gränssnitt för elektroniska enheter.

Se även

• Skanningssondmikroskopi
• Ytfotospänning

externa länkar

• Masaki Takihara (9 december 2008). "Kelvin-sondkraftsmikroskopi" . Takahashi Lab., Institutet för industrivetenskap, Tokyos universitet. Arkiverad från originalet den 29 oktober 2012 . Hämtad 29 februari 2012 . – Fullständig beskrivning av principerna med bra illustrationer för att underlätta förståelsen
• Transportmätningar med Scanning Probe Microscopy
• Introduktion till Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM)
• Dynamisk Kelvin Probe Force Microscopy
• Kelvin Probe Force Mikroskopi av laterala enheter
• Kelvin Probe Force Mikroskopi i vätskor
• Strömspänningsmätningar i skanningssondmikroskopi
• Dynamiska IV-mätningar i SPM