材料表征基础 课件 5.5 扫描开尔文探针显微镜_第1页
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§5.5扫描开尔文探针显微镜讲授人：XXX《材料表征基础》战略新兴领域“十四五”规划教材内容提要010203金属的功函数与接触电势差扫描开尔文探针显微镜的原理测量结果的影响因素与校准方法04扫描开尔文探针显微镜的应用1.金属的功函数与接触电势差费米能级：在金属中，费米能级表示占据概率为½的电子轨道能级，实际参与导电的仅是费米能级附近的电子。功函数：用功函数表示材料费米能级的高低，它是指材料中真空能级Ev与电子费米能级Ef的差值。功函数的测量——扫描开尔文探针显微镜(SKPM)SKPM测量功函数的基本原理是利用电容器极板受力的原理，测量金属探针与样品之间的接触电势差。1.金属的功函数与接触电势差

2.扫描开尔文探针显微镜的原理

2.扫描开尔文探针显微镜的原理

2.扫描开尔文探针显微镜的原理

3.测量结果的影响因素与校准方法SKPM有设备简单、操作方便的优势。但与普通AFM相比，SKPM测量过程并不直接，涉及复杂的电学和机械过程，这使得SKPM测量中容易因为错误操作产生假象。以下列举常见的影响因素和注意事项。环境气体吸附与表面化学反应的影响SKPM是一种灵敏的表面测量手段，但容易受表面状态的影响。测量时，环境中的气体分子会吸附在样品和针尖表面。其中，H20分子会影响表面电场分布;而02会将材料或针尖表面氧化，改变表层原子的化学状态，对功函数测量结果产生巨大影响。可以选择在惰性气体环境或真空环境中进行实验，避免样品与空气直接接触。

针尖与样品形貌的影响实际上，针尖表面的曲率非常大，样品表面也起伏不平，会对测量结果产生影响。当针尖尺寸远小于表面形貌的特征时，表面起伏可以忽略。因此应根据样品形貌合理选择针尖形状和距离。1233.测量结果的影响因素与校准方法电场泄露的影响在某些微纳器件的测量中，要求器件处于加电工作状态。一般器件的工作电压为几伏，而SKPM要测量的电势差信号一般在数十毫伏。图a所示为测量MoS2场效应晶体管工作时，表面MoS2层的功函数变化实验。当表面电极很小时，大偏压的背栅电极泄露出的电场会对探针施加额外的作用力，严重影响测量结果。一个解决方法就是将表面金属电极面积做大，将下方电场屏蔽（如图b）。电路连接的影响SKPM要求对样品的交直流电连接，这就对电学连接质量有较高要求。首先，许多纳米材料的尺寸很小，需要将它们放在导电的衬底上，或通过光刻等方法制备电极。其次，高频电信号的传输除了要求电连接，还要考虑传输线的阻抗匹配和信号泄露问题。第三，如需对纳米器件连接额外的电表供电，还需考虑对交流信号的兼容性问题。454.扫描开尔文探针显微镜的应用不同半导体材料界面处的结势垒是构成半导体器件的基础，而结的宽度往往在微米甚至纳米量级。SKPM可以在如此小尺度上测量电势的空间分布，给出结势垒的形状和结电场的分布情况。表征异质结界面势垒纳米材料的空间尺寸小，电子结构的空间分布精细，对环境因素的响应灵敏，需要较高空间分辨率的手段进行探测。而高分辨的SKPM可以在纳米尺度上给出静电特征参量的空间分布信息。纳米材料SK

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