開爾文探針力顯微鏡（Kelvin Probe Force Microscope，KPFM）是一種高分辨率的掃描探針顯微鏡，主要用于表面電荷和電勢的測量。該顯微鏡的工作原理基于原子力顯微鏡（AFM），并結合了電勢差測量技術，使其成為研究電荷分布和表面電位的有力工具。

原理

KPFM的工作原理基于掃描探針顯微鏡，其中包括一個探針和一個樣品。探針是一根極尖小尖端，通常由導電的金屬制成，而樣品則是待測的表面。探針被緩慢地移動至樣品表面附近，同時測量其與探針之間的相互作用力，這是通過原子力顯微鏡的懸掛質量或懸掛彈簧的方式實現的。

在KPFM中，電位差（或電荷）是通過在探針和樣品之間施加外加電壓并測量電荷感應來測量的。探針的位置會受到樣品表面電位的影響，從而產生探針和樣品之間的庫侖相互作用力的變化。通過測量這種相互作用力的變化，可以確定樣品表面的電位分布。

應用

表面電荷測量： KPFM可用于測量表面電荷的分布和變化，這對于理解材料的電學性質以及電子器件的性能非常重要。

電勢映射： 通過KPFM，可以獲得樣品表面的電位分布圖，這對于研究半導體器件、催化劑和電極材料等方面非常有用。

納米材料研究： KPFM可用于測量納米材料的電學性質，例如碳納米管、納米顆粒和二維材料。

生物科學： 在生物科學中，KPFM可用于研究細胞、蛋白質和生物材料的電荷分布，有助于理解生物體系的電學性質。

半導體研究： KPFM可以用于評估半導體材料和電子器件的電學性質，幫助改進器件性能。

工作過程

掃描準備： 樣品被放置在KPFM平臺上，而探針則懸掛在掃描頭上。開始前，必須確保探針和樣品的準備工作，以獲得可靠的測量。

掃描操作： 控制系統逐點掃描探針在樣品表面的位置。掃描期間，測量探針與樣品之間的相互作用力，這些力受到表面電位的影響。

反饋回路： 系統通過反饋回路調整探針的高度，以保持相互作用力恒定，從而獲取準確的電位測量。

數據分析： 從掃描中獲得的數據經過分析和圖像處理，生成表面電位分布圖。

總的來說，開爾文探針力顯微鏡是一種重要的研究工具，可用于測量表面電位和電荷分布，對材料科學、納米技術、生物學和半導體研究等領域產生深遠影響。它使科學家能夠更深入地了解和探索微觀世界的電學性質，從而推動了許多領域的研究和應用。