켈빈 프로브 포스 현미경

Kelvin probe force 현미경(KPFM)은 표면전위 현미경(AFM)이라고도 하며, 원자력 현미경(^[1][2][3]AFM)의 비접촉 변종이다. x,y 면의 래스터 스캔에 의해 샘플의 작업 기능이 샘플 특징과의 상관관계를 위해 국소적으로 매핑될 수 있다. 확대가 거의 또는 전혀 없는 경우, 이 접근방식은 스캔 켈빈 프로브(SKP)를 사용하는 것으로 설명할 수 있다. 이러한 기법은 주로 부식 및 코팅 측정에 사용된다.

KPFM을 사용하면 표면의 작업 기능을 원자 또는 분자 눈금에서 관측할 수 있다. 작업 기능은 촉매 활성, 표면 재구성, 반도체의 도핑 및 밴드벤딩, 유전체에서의 전하 트래핑 및 부식 등 많은 표면 현상과 관련된다. KPFM이 제작한 작업함수의 지도는 고체의 표면에 있는 국소 구조물의 구성과 전자 상태에 관한 정보를 제공한다.

역사

SKP 기법은 1898년 켈빈 경이 수행한 평행 판형 콘덴서 실험에 바탕을 두고 있다.^[4] 1930년대에 윌리엄 지스만은 켈빈 경의 실험에 기초하여 서로 다른 금속의 접촉 전위차를 측정하는 기술을 개발했다.^[5]

작업원리

SKP에서는 프로브와 샘플이 서로 평행하게 고정되고 전기적으로 연결되어 평행 플레이트 캐패시터를 형성한다. 탐침은 샘플과 다른 재료로 선택된다. 따라서 각 구성요소는 초기에 뚜렷한 페르미 수준을 가진다. 프로브와 샘플 전자 흐름 사이에 전기 연결이 되면 더 높은 페르미 수준으로 낮은 방향으로^{[further explanation needed]} 프로브와 샘플 사이에 전자 흐름이 발생할 수 있다. 이 전자 흐름은 프로브와 표본 페르미 레벨의 등거리 교정을 유발한다. 또한 표면 전하가 프로브와 샘플에서 발생하며, 관련 전위차이를 접점 전위차(V_c)라고 한다. SKP에서 프로브는 샘플의 평면에 수직인 방향으로 진동한다.^[6] 이 진동으로 인해 프로브가 샘플링 거리로 변경되고, 이는 다시 전류 흐름을 발생시켜 AC 사인파의 형태를 취하게 된다. 결과 ac 사인파는 로크인 앰프를 사용하여 dc 신호로 강등된다.^[7] 일반적으로 사용자는 로크인 앰프가 사용하는 올바른 기준 위상 값을 선택해야 한다. dc 전위가 결정되면, 백킹 전위(V_b)로 알려진 외부 전위를 적용하여 프로브와 샘플 사이의 전하를 무효화할 수 있다. 충전이 무효화되면 샘플의 페르미 레벨이 원래 위치로 돌아간다. 즉, V는_b SKP 프로브와 측정된 샘플 간의 작업 함수 차이인 -V와_c 동일하다.^[8]

AFM의 캔틸레버는 표면과 함께 커패시터를 형성하는 기준 전극으로, 일정한 분리 상태에서 횡방향으로 스캔한다. 캔틸레버는 교류(AC) 전압이 적용되지만 일반 AFM과 같이 기계적 공명 주파수 Ω으로₀ 압전적으로 구동되지 않는다.

팁과 표면 사이에 직류(DC) 전위차가 있을 경우 AC+DC 전압 오프셋은 캔틸레버를 진동시킨다. 힘의 기원은 캔틸레버와 표면이 형성한 콘덴서의 에너지가 그 원점을 파악하면 알 수 있다.

${\displaystyle E={\frac {1}{1}{2}}C[V_{DC}+V_{{}]AC}\sin(\omega _{0}t)]^{2}={\frac {1}{1}:{2}}C[2V_{DC}V_{{{}V_{{{{}}V_{{{}}}{{}}}}}}}AC}\sin(\omega _{0}t)-{\frac {1}{2}}V_{{{}}{{{}}}AC}^{2}\cos(2\omega _{0}t)]}$

DC의 항에 더하여. V_DC·V_AC 제품에 비례하는 교차기만 공명 주파수 Ω에₀ 있다. 캔틸레버의 결과 진동은 일반적인 스캔-프로브 현미경 검사 방법(일반적으로 다이오드 레이저와 4 사분원 검출기 포함)을 사용하여 감지된다. Null 회로는 팁의 DC 전위를 진동을 최소화하는 값으로 구동하는 데 사용된다. 따라서 이 무효 DC 전위 대 측면 위치 좌표의 지도는 표면의 작업 기능에 대한 이미지를 생성한다.

관련 기술인 정전력 현미경(EFM)은 표면에서 방출되는 전기장에 의해 충전된 팁에서 발생하는 힘을 직접 측정한다. EFM은 캔틸레버 진동의 주파수 이동 또는 진폭 변화가 전기장을 감지하는 데 사용된다는 점에서 자기력 현미경처럼 작동한다. 그러나 EFM은 KPFM보다 지형적 유물에 훨씬 민감하다. EFM과 KPFM 모두 전도성 캔틸레버(일반적으로 금속 코팅 실리콘 또는 질화 실리콘)의 사용을 요구한다. 정전기 표면 전위 이미징을 위한 또 다른 AFM 기반 기법, 양자 점 현미경 스캐닝은 팁 부착 양자 점의 게이트 기능을 바탕으로 표면 전위를 정량화한다.^[9]

SKP 측정에 영향을 미치는 요인

SKP 측정의 품질은 여러 요인에 의해 영향을 받는다. 여기에는 SKP 프로브의 직경, 샘플링까지의 프로브, SKP 프로브의 소재 등이 포함된다. 프로브 직경은 전체 측정 분해능에 영향을 미치기 때문에 SKP 측정에서 중요하다.^[10][11] 반면 프로브의 크기를 줄이면 프링 효과가 증가해 부유 캐패시턴스 측정이 증가해 측정 감도가 감소한다.^[10] SKP 프로브 시공에 사용되는 재료는 SKP 측정 품질에 중요하다.^[12] 이것은 여러 가지 이유로 발생한다. 재료마다 측정된 접촉 전위에 영향을 미치는 작업 함수 값이 다르다. 재료마다 습도 변화에 대한 민감도가 다르다. 이 재료는 또한 SKP 측정의 결과 측면 분해능에도 영향을 미칠 수 있다. 상업용 프로브에서는 백금, ^[14]구리,^[15] 금,^[16] NiCr의 프로브가 사용되었지만 텅스텐이 사용된다.^[13][17] 프로브 대 샘플링 거리는 최종 SKP 측정에 영향을 미치며, 더 작은 프로브 대 샘플링 거리는 측방향 분해능과 측정 신호 대 잡음 비를 개선한다.^[18] 또한 SKP 프로브를 샘플링 거리로 줄이면 측정 강도가 증가하는데, 여기서 측정 강도는 1²/d에 비례하며, 여기서 d는 샘플링 거리까지의 프로브다.^[19] 측정 시 샘플 거리로 프로브를 변경하는 효과는 일정 거리 모드에서 SKP를 사용하여 상쇄할 수 있다.

작업함수

켈빈 프로브 힘 현미경 또는 켈빈 힘 현미경(KFM)은 AFM 설정을 기반으로 하며 작업 기능의 결정은 소형 AFM 팁과 샘플 사이의 정전력 측정에 기초한다. 전도 팁과 샘플은 (일반적으로) 서로 다른 작업 기능이 특징이며, 이는 각 재료의 페르미 수준과 진공 수준 간의 차이를 나타낸다. 두 원소가 모두 접촉하면 페르미 레벨이 정렬될 때까지 그 사이에 순전류가 흐를 것이다. 작업함수의 차이를 접촉전위차라고 하며 일반적으로 V와_CPD 함께 나타낸다. 팁과 샘플 사이에는 정전기가 존재하는데, 그 사이에 전기장이 있기 때문이다. 측정의 경우, 전압은 팁과 샘플 사이에 인가되며, DC-bias V와_DC 주파수 Ω의 AC 전압 V sin_AC(Ωt)으로 구성된다.

${\displaystyle V=(V_{DC}-V_{CPD}+V_{{CPD})AC}\cdot \sin(\omega t)}$

AC 주파수를 AFM 캔틸레버의 공명 주파수에 맞추면 감도가 개선된다. 콘덴서의 정전력은 원소의 분리에 관한 에너지 기능을 구별하여 찾을 수 있으며, 다음과 같이 기록할 수 있다.

${\displaystyle F={\frac {1}{1}:{2}}: {\frac {dC}{dz}V^{2}}:$

여기서 C는 캐패시턴스, z는 분리, V는 각각 팁과 표면 사이의 전압이다. 이전의 전압(V) 공식을 대체하면 팁에 작용하는 총 정전력 F가 Ω과 2Ω 주파수에서 스펙트럼 구성요소를 갖기 때문에 정전기력을 세 가지 기여로 나눌 수 있다는 것을 알 수 있다.

${\displaystyle F=F_{DC}+F_{\omega }+F_{2\omega }}}}$

DC 성분 F는_DC 지형적 신호에 기여하고, 특성 주파수 Ω에서 F라는_ω 용어는 접촉 전위를 측정하기 위해 사용되며, 기여 F는_2ω 정전용량 현미경 검사에 사용될 수 있다.

${\displaystyle F_{DC}={\frac {dC}{dz}}\왼쪽[{\frac {1}{1}{1}:{1}2}}(V_{DC}-V_{CPD})^{2}+{\frac {1}{4}V_{{\frac}}{{{1}}}}}{{{{}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}{{{{{{{}}}}}}}}}}}}}}}AC}^{2}\오른쪽]}$

${\displaystyle F_{\omega }={\frac {dC}{dz}}[V_{DC}-V_{CPD}]V_{{p}}}{\frac {d}}}}{\frac {d}}}}}{d}}}}}}{p_{}}AC}\sin(\omega t)}$

${\displaystyle F_{2\omega }=-{\frac {1}{4}{4}{\frac {dC}{dz}V_{{\frac {d}}}{{{dz}v_{{}}}}}}}AC}^{2}\cos(2\omega t)}$

접촉 전위 측정

접촉 전위 측정의 경우 Ω으로 캔틸레버 진동을 감지하는 데 로크인 앰프를 사용한다. 스캔 중 V는_DC 팁과 샘플 사이의 정전력이 0이 되고 따라서 주파수 Ω에서의 반응이 0이 되도록 조정된다. Ω에서의 정전기력은 V_DC - V에_CPD 의존하기 때문에 Ω 기간을 최소화하는 V 값은_DC 접점 전위에 해당한다. 알려진 작업 함수의 기준 샘플에 대해 팁을 먼저 보정할 경우 샘플 작업 함수의 절대값을 얻을 수 있다.^[20] 이와 별도로 상기와는 별개로 공명 주파수 Ω에서 일반적인 지형 스캔 방법을 사용할 수 있다. 따라서 한 번의 스캔에서 샘플의 지형과 접촉 전위가 동시에 결정된다. 이것은 (적어도) 두 가지 다른 방법으로 할 수 있다. 1) 지형은 AC 모드로 캡처되는데, 이는 캔틸레버가 공명 주파수에서 피에조에 의해 구동된다는 것을 의미한다. 동시에 KPFM 측정을 위한 AC 전압은 캔틸레버의 공명 주파수보다 약간 낮은 주파수에서 적용된다. 이 측정 모드에서는 지형과 접촉 전위차가 동시에 포착되며 이 모드를 흔히 단일 패스라고 부른다. 2) 지형의 한 선은 접촉모드 또는 AC모드로 포착하여 내부에 저장한다. 그리고 나서, 캔틸레버는 기계적으로 구동되는 진동 없이 샘플에 대해 정의된 거리에 유지되는 동안, 이 라인은 다시 스캔되지만, KPFM 측정의 AC 전압은 적용되고 접촉 전위는 위에서 설명한 대로 캡처된다. 캔틸레버 팁이 샘플에 너무 가까이 있지 않아야 AC 전압으로 양호한 진동을 허용할 수 있다는 점에 유의하십시오. 따라서 KPFM은 AC 지형 측정 중에는 동시에 수행할 수 있지만 접촉 지형 측정 중에는 수행할 수 없다.

적용들

SKP가 측정한 볼타 전위는 물질의 부식 전위와 정비례하며, 그러한 SKP가 부식 및 코팅 분야의 연구에 광범위하게 사용된다는 것을 발견했기 때문이다.^[21] 예를 들어 코팅 분야에서는 알루미늄 합금에 열 발생제가 함유된 자가 치유형 메모리 폴리머 코팅의 긁힌 부위를 SKP가 측정했다.^[22] 처음에는 스크래치가 생긴 후 볼타 전위가 나머지 샘플보다 스크래치에 비해 눈에 띄게 높고 넓어 이 부위가 부식될 가능성이 더 높음을 시사했다. 볼타 전위는 이후 측정에서 감소했고, 결국 스크래치 위의 피크가 완전히 사라지며 코팅이 아물었다는 것을 암시했다. SKP는 비파괴적인 방식으로 코팅 조사를 할 수 있기 때문에 코팅 실패 여부 판단에도 사용되어 왔다. 폴리우레탄 코팅 연구에서는 높은 온도와 습도에 대한 노출이 증가함에 따라 작업 기능이 증가하는 것으로 나타났다.^[23] 이러한 작업함수의 증가는 코팅 내 본드의 가수분해로 인해 발생할 수 있는 코팅의 분해와 관련이 있다.

SKP를 사용하여 산업적으로 중요한 합금의 부식을 측정했다.^{[citation needed]} 특히 SKP를 통해 환경 자극이 부식에 미치는 영향을 조사할 수 있다. 예를 들어 스테인리스강과 티타늄의 미생물 유도 부식을 조사하였다.^[24] SKP는 주로 국지적으로 발생하기 때문에 글로벌 기법이 잘 맞지 않기 때문에 이러한 부식을 연구하는 데 유용하다. 국부식 증가와 관련된 표면전위 변화는 SKP 측정에 의해 나타났다. 나아가 서로 다른 미생물 종에서 발생하는 부식을 비교할 수 있었다. 또 다른 예에서는 SKP를 사용하여 인체 내에서 부식될 수 있는 생물의학 합금 물질을 조사하였다. 염증 조건의 Ti-15Mo에 대한 연구에서는 SKP 측정 결과, 부식 피트의 하단에서 합금의 산화 방지 표면보다 부식 저항성이 낮았다.^[25] skp는 해양환경에서 구리합금을 조사하는 등 대기부식의 영향 조사에도 활용됐다.^[26] 이 연구에서 켈빈 전위는 더 양성이 되어 부식 제품의 두께 증가로 인해 노출 시간이 증가함에 따라 더 많은 양의 부식 전위가 있음을 나타낸다. 최종 사례로 SKP를 사용하여 가스관 시뮬레이션 조건에서 스테인리스강을 조사하였다.^[27] 이러한 측정에서는 부식 시간이 증가함에 따라 음극 및 음극 부위의 부식 전위차가 증가하여 부식 가능성이 더 높은 것으로 나타났다. 또한 이러한 SKP 측정은 다른 기법으로는 불가능한 국소 부식에 대한 정보를 제공했다.

SKP는 태양전지에 사용되는 물질의 표면전위를 조사하는데 사용되어 왔으며, 비접촉이라는 장점이 있어 비파괴 기법이다.^[28] 서로 다른 물질의 전자 친화도를 결정하여 서로 다른 물질의 전도 대역의 에너지 레벨 중첩을 결정하는데 사용할 수 있다. 이러한 밴드의 에너지 레벨 오버랩은 시스템의 표면 광전압 응답과 관련이 있다.^[29]

비접촉 비파괴 기법으로 SKP는 법의학 연구를 위해 관심 소재에 잠재된 지문을 조사하는 데 사용되어 왔다.^[30] 금속 표면에 지문이 남으면 염분을 남긴다. 염분은 관심 물질의 국부적인 부식을 유발할 수 있다. 이를 통해 SKP가 검출할 수 있는 시료의 볼타 전위 변화로 이어진다. SKP는 예를 들어 오일을 가열하거나 코팅한 후에도 볼타 전위의 변화를 감지할 수 있기 때문에 이러한 분석에 특히 유용하다.

SKP는 슈레이버사이트 함유 운석의 부식 메커니즘을 분석하는 데 사용되어 왔다.^[31][32] 이러한 연구들의 목적은 그러한 운석들이 생물학적 화학에 이용되는 종을 방출하는 데 있어서 그 역할을 조사하는 것이었다.

생물학 분야에서는 SKP가 부상과 관련된 전기장과 ^[33]침술 포인트를 조사하는데 사용되어 왔다.^[34]

전자분야에서는 KPFM을 사용하여 전자장치의 고-k 게이트 산화물/인터페이스에서의 전하 트래핑을 조사한다.^[35][36][37]

참고 항목

• 스캐닝 프로브 현미경 검사
• 표면 광전압

참조

외부 링크

• Masaki Takihara (9 December 2008). "Kelvin probe force microscopy". Takahashi Lab., Institute of Industrial Science, University of Tokyo. Archived from the original on 29 October 2012. Retrieved 29 February 2012. – 이해를 돕기 위한 좋은 그림이 있는 원리에 대한 전체 설명
• Probe 현미경 스캔에 의한 이송 측정
• 켈빈 프로브포스 현미경(KPFM) 소개
• 동적 켈빈 프로브 포스 현미경
• Kelvin 탐침력 측면 장치 현미경 검사
• 켈빈 프로브 포스 액체의 현미경 검사
• 스캐닝 프로브 현미경에서의 전류 전압 측정
• SPM에서 동적 IV 측정