Метод Зонда Кельвина

Силовая микроскопия зондом Кельвина либо метод зонда Кельвина (МЗК) — это метод, позволяющий изучать распределение поверхностного потенциала по образцу. Он широко используется для изучения электрических свойств поверхности различных проводящих и полупроводниковых материалов, а также биологических образцов. МЗК предоставляет количественные результаты распределения локального поверхностного потенциала или работы выхода образца (если проведена калибровка).

Метод зонда Кельвина является двухпроходной методикой (хотя есть и однопроходные). Принцип измерения заключается в следующем: на первом проходе регистрируется рельеф поверхности образца полуконтактным методом. На втором проходе зонд отводится от поверхности на некоторое расстояние dZ. На зонд подается переменное напряжение U1·sin(ωt), которое раскачивает зонд на частоте ω, резонансной частоте зонда.

Амплитуда колебаний зонда поддерживается равной нулю путем изменения величины постоянного напряжения смещения U0(x,y) с использованием обратной связи. Зонд движется над поверхностью образца (на постоянном расстоянии dZ) по траектории, повторяющей рельеф образца. Расстояние dZ должно быть достаточно большим, для исключения влияния рельефа. В таком случае зонд подвергается воздействию только электрических дальнодействующих сил. Но и слишком сильно увеличивать расстояние dZ не стоит, так как в этом случае уменьшается измеряемый сигнал, что соответственно ухудшает латеральное разрешение.

Существуют несколько вариаций МЗК, такие как метод амплитудной модуляции МЗК, метод фазовой модуляции МЗК, метод фазовой модуляции кельвин зондовой-сканирующей емкостной микроскопии. Все эти методы отличаются лишь регистрацией поверхностного потенциала (по изменению амплитуды зонда, фазы и так далее). А принцип у них один. На рисунке 2 показаны примеры изображений, полученных с помощью метода зондовой микроскопии Кельвина.

*Источник: Shearer, M. J., Li, M.-Y., Li, L.-J., Jin, S., & Hamers, R. J. (2018). Nanoscale Surface Photovoltage Mapping of 2D Materials and Heterostructures by Illuminated Kelvin Probe Force Microscopy. The Journal of Physical Chemistry C, 122(25), 13564–13571. doi:10.1021/acs.jpcc.7b12579