扫描开尔文探针显微术

在动态非接触模式下，最具发展潜力的电学测量模式是扫描开尔文探针显微术(scanning Kelvin probe microcopy，SKPM)，其工作原理是当导电针尖接近样品表面时，由于两者功函数的不同，针尖—样品间会产生静电相互作用，即接触电势差(contact potential difference，CPD)，从而实现样品探测，主要有电压调制SKPM和F(V)曲线两种工作模式。一般而言，静电相互作用力与偏压的平方成正比，F(V)曲线的抛物线顶点对应的偏压即为样品与导电探针间的接触电势差，而对应的力F 则为补偿静电力后的针尖—样品间相互作用力。电压调制的SKPM的核心技术是在样品与针尖之间同时施加交流和直流偏压，通过反馈回路调节直流偏压，使得交流偏压引起的微悬臂振动的振幅达到最小，此时的直流偏压就是接触电势差，因此该模式可以结合多频AFM新技术进行单次扫描，实现样品形貌、表面功函数等信号的探测。基于多频AFM技术的SKPM，通常是结合轻敲模式和非接触模式实现的，此时除存在测量样品形貌的微悬臂振动外，还存在交流偏压引起的微悬臂振动。在实际应用中，要仔细考虑两个振动间的相对频率和振幅等参量，避免相互串扰。目前SKPM的空间分辨率和能量分辨率得到了显著提高，可以在原子尺度上以几个meV的能量分辨率对材料表面的接触电势差进行成像测量，具有单电子灵敏度，可以检测量子点的单电子充放电等。原子尺度的空间分辨率和单电子灵敏度使得SKPM成为了物理、化学和材料等研究领域的重要工具。在动态模式下，还可以通过导电原子力探针将微波或射频信号加载在探针与样品之间，进一步实现对包括电容、阻抗以及微分电容和微分电阻等在内的样品微区电学性质进行研究，这就是最近发展起来的一种功能化AFM技术。