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캘빈 프로브 힘 현미경 (KPFM)

관련 제품: MFLI, HF2LI

응용기술 설명

캘빈 프로브 힘 현미경 (Kelvin probe force microscopy - KPFM, KFM 또는 SKFM으로 약칭)은 나노스케일 재료와 장치의 전자 특성을 연구하는 데 사용되는 원자력 현미경(AFM)에 기초한 기술입니다. KPFM은 정전력을 감지하여, AFM 프로브와 샘플 표면 사이의 국소 접촉 전위차(contact potential difference - CPD)를 정량화합니다. 금속 표면의 경우, KPFM 신호는 재료의 일함수와 직결되며, 반도체 CPD는 반도체 도핑 프로파일 또는 광에 민감한 박막의 표면 광전압(surface photo-voltage - SPV)과 직결됩니다. 이 페이지에 설명된 대부분의 KPFM 방법은 폐쇄루프 싱글패스 기법(closed-loop single-pass techniques)이라고 하며, 여기에서 로컬 CPD는 표면 지형 또는 기타 힘 기여와 동시에 능동적으로 추적 및 영상화됩니다.

KPFM의 개방루프 변형은 정전기력 현미경(electrostatic force microscopy - EFM)의 확장으로 볼 수 있으며, 여기에서 사인파 전기 변조가 세 가지 스펙트럼 성분을 생성합니다. 바이어스 변조 주파수의 기본 고조파 및 2차 고조파에서 정적 DC 항과 두 개의 AC 성분으로 구성됩니다. CPD가 피드백 루프에 의해 능동적으로 추적되지 않는 경우, 그 값은 소위 이중 고조파(DH-KPFM) 모드의 2개 AC 성분으로부터 계산할 수 있습니다. 이는 특히 액체에서의 측정과 관련이 있습니다.

측정 전략

KPFM setup with PLL and PID

그림 1: 일반적인 FM-KPFM 측정 체계. 여기에서 기계적 공진 신호가 전기 바이어스 변조 주파수로 복조. 모든 KPFM 모드는 VAC+VDC 에서 전기 구동이 필요하지만, 바이어스 피드백은 VDC 에서만 작동하고 표면 전위를 매핑하기 위해 기록됩니다. DC 바이어스 전압을 스위핑하면, CPD 포물선을 재구성할 수 있습니다. VAC 변조는 잠금증폭기(락인앰플리파이어) 또는 PLL로 측정된 결과적인 힘 변조의 X 성분을 최소화하여, 포물선의 최대값을 찾는데 사용됩니다.

일반적인 KPFM 설정에서, DC 전압에 중첩된 프로빙 AC 바이어스 전압을 적용하면, 팁과 샘플 사이에 정전력이 발생하며, 이는 표준 락인 디텍션 기술로 측정할 수 있습니다(그림 참조). 측정 체계(표 참조)에 따라, 힘의 관련 변조된 구성 요소 또는 힘 변화도는 PID 루프에 공급되며, PID 루프는 정전력을 최소화하기 위해 DC 바이어스 전압을 조정합니다. 적용된 DC 소스에 의해 정전기 기여가 취소되면 관심 CPD 값에 도달합니다. 기존의 많은 KPFM 모드는 진폭 변조 KPFM(AM-KPFM)과 주파수 변조 KPFM(FM-KPFM)의 두 가지 범주 중 하나에 속합니다. AM-KPFM 모드는 견고하고 구현하기 쉽지만, 그 분해능은 월뿔 및 캔틸레버구조의 큰 표유정전용량에 의해 제한됩니다. AM-KPFM은 크고 빠른 표면 검사에 유용할 수 있으며 일반적으로 더 작은 AC 드라이브 전압으로 작동할 수 있습니다. FM-KPFM 모드는 힘 변화율 민감도로 인해 최종 표면 전위 분해능을 해제하지만, 거친 표면에서 안정적인 조건에서 최적화하고 작동하기가 더 복잡합니다. 공기 중 헤테로다인 FM-KPFM의 최근 기술 발전과 진공에서의 2ω 소산 KPFM(2ωD-KPFM)은 이러한 모드가 인공물에 가장 취약하기 때문에 정량적 측정 측면에서 최첨단 방법을 나타냅니다.

보다 전통적인 이중 패스 기술(토포그래픽에 한번 패스, 정전기 기여에 한번 패스)과 비교하여, 단일 패스 측정은 토폴로지의 바이어스 아티팩트를 줄이고 표면 전위 분해능을 향상시키며 측정 시간을 단축합니다. 단일 패스 KPFM 기법에는 많은 파라미터의 미세 조정이 필요하므로, 취리히 인스트루먼트 LabOne® 제어 소프트웨어는 다양한 고조파 또는 주파수에서, 다중 디모듈레이터, 다중 피드백 루프, 그리고 위상 시프터 및 파라미터 스위퍼 기능덕분에, 전반적인 최적화 프로세스가 보다 일관되고 체계적으로 수행되도록 보장합니다.

 

Base technique Amplitude modulation (AM) Frequency modulation (FM)
Sensitive to Force (through amplitude) Force gradient (through phase)
KPFM mode AM-KPFM 1ωD-KPFM Sideband FM-KPFM 2ωD-KPFM Heterodyne FM-KPFM
Mechanical drive f0 f0 f0 f0 f0
Electrical drive f1 or off-resonance f0, 90° phase-shifted with respect to mechanical drive fm 2f0, 90° phase shifted with respect to mechanical drive f1-f0
Detection X-component at f1 Dissipation channel X-component at f0 ± fm Dissipation channel X-component at f1
Setpoint Nullify X1 Dissipation value equal to value without bias modulation Nullify X3-X2 Dissipation value equal to value without bias modulation Nullify X1
Comments Can operate < 1 V drive amplitude Requires PLL to lock mechanical phase and AGC to measure dissipation Typical drive amplitude VAC  ~ 2 V Requires PLL to lock mechanical phase and AGC to measure dissipation Can demodulate at higher bandwidth at f1
Recommended instrument configuration
For MFLI: MF-MD, MF-PID
 
For HF2LI: HF2LI-PID
For MFLI: MF-MD, MF-PID
 
For MFLI: MF-MD (tandem mode), MF-PID
 
For HF2LI: HF2LI-MF, HF2LI-PID, HF2LI-MOD (direct sideband detection)
For MFLI: MF-MD, MF-PID
 
For MFLI: MF-MD, MF-MOD, MF-PID
 

Most commonly used closed-loop single-pass KPFM techniques. The topography is always recorded in standard tapping mode (in air) on in non-contact AFM mode (in vacuum) at the mechanical drive f0.

f0 = cantilever resonance frequency
f1 = second eigenmode of the cantilever
fm = electrical modulation frequency

취리히인스트루먼트 선택의 이점

  • 모드 간 전환 설정을 다시 로드하여 모든 폐쇄 루프 또는 개방 루프 KPFM 모드를 단일 계측기로 측정할 수 있습니다.
  • 위상 시프터 및 주파수 믹서를 포함한 모든 중요한 매개변수를 스위프할 수 있는 높은 수준의 자동화 덕분에, 신호 대 잡음비를 최대화하기 위한 최상의 매개변수 세트를 빠르게 찾을 수 있습니다.
  • 사전 지식이나 이득 매개변수의 수동 조정 없이, PID advisor를 사용하여 바이어스 피드백 루프를 최적화합니다.
  • 전기 작동 및 감지에 액세스할 수 있는 경우, 당사의 계측기는 모든 종류의 타사 현미경에 호환됩니다.

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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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