Электростатическая Силовая Микроскопия

Электростатическая Силовая Микроскопия (ЭСМ) — эффективное средство для исследования электрических свойств поверхности образца путем обнаружения электростатической силы между поверхностью и острием зонда. ЭСМ позволяет отображать распределения электрического поля и зарядов по поверхности образца с субмикронным разрешением. Для исключения влияния рельефа поверхности на результаты исследования используется двухпроходная методика.

а – Получение рельефа поверхности (первый проход)

б – Регистрация электростатических сил, Ψ – сдвиг фазы (второй проход)

Принцип работы двухпроходной электростатической силовой микроскопии:

на первом проходе происходит измерение рельефа поверхности образца по полуконтактному методу (рисунок 1 а);
на втором проходе зонд отводится от поверхности образца на расстояние dZ и с помощью пьезодрайвера раскачивается на собственной резонансной частоте. Далее подается постоянное напряжение смещения U0 между зондом и образцом, и осуществляется повторное сканирование. При этом сканировании зонд движется над поверхностью образца по траектории, повторяющей рельеф, измеренный при первом проходе. Наличие электростатических сил на поверхности образца приводит к изменению амплитуды и фазы колебаний сигнала вертикального отклонения (рисунок 1 б).

Таким образом, полученные изображения амплитуды и фазы ЭСМ содержат информацию об электрических свойствах, включая поверхностный потенциал и/или распределение заряда на поверхности образца.

В ЭСМ для отображения электрических свойств поверхности образца соответствующей силой взаимодействия является электростатическая сила между смещенным кантилевером и образцом. Однако помимо электростатической силы между иглой и исследуемой поверхностью действуют краткосрочные силы Ван-дер-Ваальса. Поэтому для получения четкой карты распределения электростатических сил необходимо правильно выбирать расстояние dZ. Так, при слишком малом расстоянии возможно влияние поверхности, а при большом — уменьшения сигнала электростатических сил.

Рисунок 2

а) Топографическое изображение системы на основе ZnO;

b) ЭСМ системы на основе ZnO без приложенного напряжения;

c) с приложенным напряжением 1 В и d) 2 В.

На рисунке (d) стрелки указывают на активные потенциальные барьеры

* Источник: Ramírez M. A. et al. Degradation Analysis of the SnO 2 and ZnO‐Based Varistors Using Electrostatic Force Microscopy //Journal of the American Ceramic Society. – 2013. – Т. 96. – №. 6. – С. 1801-1809.)