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开尔文探针力显微镜 (KPFM)

相关产品: MFLI、HF2LI

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-KPFM1ωD-KPFM边带 FM-KPFM2ωD-KPFM外差 FM-KPFM
机械驱动频率f0f0f0f0f0
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fm2f0，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

Product Highlights

HF2LI 50 MHz Lock-in Amplifier

hf2li front
  • 2x DC - 50 MHz 14-bit Voltage Inputs
  • Up to 4x parallel PID and 2xPLL feedback loops (required HF2-PID, HF2-PLL options)
  • PID Advisor and Auto Tune routines for control loop optimization
  • Demodulate up to 6 harmonics or frequencies simultaneously

MFLI 500 kHz / 5 MHz Lock-in Amplifier

MFLI front
  • DC - 500kHz/5MHz 16-bit Current and Voltage Inputs
  • Up to 4x parallel PID/PLL feedback loops (required MF-PID option)
  • Short time constants: 337 ns to 83 s
  • Demodulate up to 6 harmonics or frequencies simultaneously (required MF-MD option)

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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