掃描開爾文探針顯微術

在動態非接觸模式下，最具發展潛力的電學測量模式是掃描開爾文探針顯微術(scanning Kelvin probe microcopy，SKPM)，其工作原理是當導電針尖接近樣品表面時，由于兩者功函數的不同，針尖—樣品間會產生靜電相互作用，即接觸電勢差(contact potential difference，CPD)，從而實現樣品探測，主要有電壓調制SKPM和F(V)曲線兩種工作模式。一般而言，靜電相互作用力與偏壓的平方成正比，F(V)曲線的拋物線頂點對應的偏壓即為樣品與導電探針間的接觸電勢差，而對應的力F 則為補償靜電力后的針尖—樣品間相互作用力。電壓調制的SKPM的核心技術是在樣品與針尖之間同時施加交流和直流偏壓，通過反饋回路調節直流偏壓，使得交流偏壓引起的微懸臂振動的振幅達到最小，此時的直流偏壓就是接觸電勢差，因此該模式可以結合多頻AFM新技術進行單次掃描，實現樣品形貌、表面功函數等信號的探測。基于多頻AFM技術的SKPM，通常是結合輕敲模式和非接觸模式實現的，此時除存在測量樣品形貌的微懸臂振動外，還存在交流偏壓引起的微懸臂振動。在實際應用中，要仔細考慮兩個振動間的相對頻率和振幅等參量，避免相互串擾。目前SKPM的空間分辨率和能量分辨率得到了顯著提高，可以在原子尺度上以幾個meV的能量分辨率對材料表面的接觸電勢差進行成像測量，具有單電子靈敏度，可以檢測量子點的單電子充放電等。原子尺度的空間分辨率和單電子靈敏度使得SKPM成為了物理、化學和材料等研究領域的重要工具。在動態模式下，還可以通過導電原子力探針將微波或射頻信號加載在探針與樣品之間，進一步實現對包括電容、阻抗以及微分電容和微分電阻等在內的樣品微區電學性質進行研究，這就是最近發展起來的一種功能化AFM技術。