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开尔文探针力显微镜 (KPFM)

相关产品: MFLIHF2LI

应用描述

开尔文探针力显微镜(简称 KPFM、KFM 或 SKFM)是一种基于原子力显微镜 (AFM) 的技术,适用于研究纳米级材料与器件的电子特性。KPFM 通过探测电容静电力来对 AFM 探针与样品表面之间的局部接触电势差 (CPD) 进行量化。用于金属表面时,KPFM 信号与材料的功函数直接相关,而用于半导体时,CPD 与半导体的掺杂分布,或者感光薄膜的表面光电压 (SPV) 相关。本页所述的大多数 KPFM 方法都属于闭环单次扫描方法,也就是说我们将同时对局部 CPD 以及表面形貌或其它影响静电力的因素进行主动跟踪并形成图像。

开环式 KPFM 可视为静电力显微镜 (EFM) 的一种延伸,它通过施加正弦电调制产生了三个频谱分量:其中一个是静态的直流项,另外两个是交流分量,分别位于偏置电压调制频率的基波和二次谐波处。未通过反馈环对 CPD 进行主动跟踪时,可以在所谓的双谐波 (DH-KPFM) 模式下,通过这两个交流分量计算出它的值。该模式特别适合在液体中进行测量。

测量策略

KPFM setup with PLL and PID

图 1:典型的 FM-KPFM 测量方案,机械共振信号的解调将在偏置电压调制频率下进行。所有的 KPFM 模式都需要一个 VAC+VDC 的电驱动,偏置电压反馈仅作用于 VDC 上,且被记录下来以反映表面电势。通过对直流偏置电压进行扫描,我们可以重建 CPD 抛物线。VAC 的调制用于确定该抛物线的最高点,方法是通过锁相放大器或 PLL 测量由此产生的静电力调制,并将该调制的 X 分量降到最低。

在典型的 KPFM 设置方案中,我们会施加一个叠加在直流电压上的交流探针偏置电压,在针尖和样品之间产生静电力,并用标准锁相探测技术进行测量(见图)。根据所采用的测量方案(见表),我们会将静电力或静电力梯度中的解调分量送入 PID 环,由PID 环调节直流偏置电压,使静电力达到最小。当静电影响被所施加的直流源抵消时,我们就得到了所关注的 CPD 值。很多现有的 KPFM 模式都归于两大类别之一,即调幅 KPFM (AM-KPFM) 和调频 KPFM (FM-KPFM)。AM-KPFM 模式稳定且易于实现,但探针尖锥和悬臂的几何形状导致杂散电容较高,因此分辨率有限。AM-KPFM 可用于快速检查大型表面,并且需要的交流驱动电压一般较低。FM-KPFM 模式对静电力梯度敏感,因此具有最佳表面电势分辨率,但该模式在用于粗糙表面时,更难实现优化和稳定运行。最近又发展出了在空气中使用的外差 FM-KPFM 和在真空中使用的 2ω 耗散 KPFM (2ωD-KPFM),它们都属于最新的定量测量方法,出现伪影的可能非常小。

在更为传统的两次扫描方法中,一次扫描用于确定形貌,另一次用于测量静电影响。与之相比,单次扫描测量方法减少了形貌中的偏置电压伪影,提高了表面电势分辨率,同时缩短了测量时间。单次扫描 KPFM 技术需要对许多参数进行微调,而 Zurich Instruments 的 LabOne® 控制软件提供了针对各种谐波或频率的多个解调器,此外还有多个反馈环以及移相器和参数扫描器功能,可以确保整个优化过程更加一致,并能以系统化的方式进行。

基础技术 调幅 (AM) 调频 (FM)
敏感对象 静电力(通过振幅) 静电力梯度(通过相位)
KPFM 模式 AM-KPFM 1ωD-KPFM 边带 FM-KPFM 2ωD-KPFM 外差 FM-KPFM
机械驱动频率 f0 f0 f0 f0 f0
电驱动频率 f1 或非共振 f0,与机械驱动频率之间有 90° 的相移 fm 2f0,与机械驱动频率之间有 90° 的相移 f1-f0
探测对象 f1 处的 X 分量 耗散通道 f0 ± fm 处的 X 分量 耗散通道 f1 处的 X 分量
设定值 抵消 X1 耗散值,等于无偏置电压调制时的耗散值 抵消 X3-X2 耗散值,等于无偏置电压调制时的耗散值 抵消 X1
备注 可以在驱动幅值 < 1 V 时运行 需要由 PLL 锁定机械驱动的相位,还需要 AGC 来测量耗散 典型的驱动幅值 VAC ~ 2 V 需要由 PLL 锁定机械驱动的相位,还需要 AGC 来测量耗散 在 f1 处可以更高的带宽进行解调
推荐的仪器配置
对于 MFLI: MF-MD, MF-PID
 
对于 HF2LI: HF2LI-PID
对于 MFLI: MF-MD, MF-PID
 
对于 HF2LI: HF2LI-MF, HF2LI-PID + HF2LI-PLL
对于 MFLI: MF-MD (串联模式), MF-PID
 
对于 HF2LI: HF2LI-MF, HF2LI-PID, HF2LI-MOD (直接边带探测)
对于 MFLI: MF-MD, MF-PID
 
对于 HF2LI: HF2LI-MF, HF2LI-PID + HF2LI-PLL
对于 MFLI: MF-MD, MF-MOD, MF-PID
 
对于 HF2LI: HF2LI-MF, HF2LI-PID, HF2LI-MOD

以上是最为常用的闭环单次扫描 KPFM 方法。在标准轻敲模式(空气)或非接触式 AFM 模式(真空)下,形貌的记录始终会按机械驱动频率 f0 进行。

f0 = 悬臂共振频率
f1 = 悬臂的第二本征模态
fm = 电调制频率

选择 Zurich Instruments 的好处

  • 任何闭环或开环 KPFM 模式均可在同一台仪器上完成测量,只需重新加载设置即可切换模式。
  • 得益于包括移相器和混频器在内的高度自动化技术,您可以对所有重要参数进行扫描,从而快速找到能使信噪比最大化的最佳参数组合。
  • 您可以使用 PID Advisor 对偏置电压反馈环进行优化,无需掌握任何之前的信息,也无需手动调节增益参数。
  • 我们的仪器可以搭配任何种类的第三方显微镜使用,只要能操控电驱动和探测信号即可。

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Publications

Miyahara, Y. & Grutter, P.

Force-gradient sensitive Kelvin probe force microscopy by dissipative electrostatic force modulation

Appl. Phys. Lett. 110, 163103 (2017)

Collins, L. et al.

Dual harmonic kelvin probe force microscopy for surface potential measurements of ferroelectrics

Proceedings of ISAF-ECAPD-PFM 2012

Sadeghi, A. et al.

Multiscale approach for simulations of Kelvin probe force microscopy with atomic resolution

Phys. Rev. B 86, 075407 (2012)

Wagner, T. et al.

Kelvin probe force microscopy for local characterisation of active nanoelectronic devices

Beilstein J. Nanotechnol. 6, 2193–2206 (2015)

Axt, A., Hermes, I., Bergmann, V., Tausendpfund, N. & Weber, S.

Know your full potential: Quantitative Kelvin probe force microscopy on nanoscale electrical devices

Beilstein J. Nanotechnol. 9, 1809–1819 (2018)

Miyahara, Y., Topple, J., Schumacher, Z. & Grutter, P.

Kelvin probe force microscopy by dissipative electrostatic force modulation

Phys. Rev. Applied 4, 054011 (2015)

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