CN102981023A - 一种静电力显微镜测量表面电势的方法 - Google Patents

Abstract

一种静电力显微镜测量表面电势的方法，涉及一种静电力显微镜测量表面电势的方法，解决了开尔文显微镜表面电势测量范围有限的问题。步骤为：调整静电力显微镜，使静电力显微镜正常工作于静电力相位差成像状态；选取待测位置点，对待测位置点进行扫描；在扫描过程中，调整显微镜导电探针针尖电压V_EFM值，使其在-12V~+12V范围内变化；记录该针尖电压V_EFM值及测量获得的相位差Δθ；将记录的所有数据作为测量数据存储；根据测量数据进行曲线拟合；根据拟合得到的曲线建立显微镜导电探针针尖电压V_EFM值与相位差Δθ的关系，根据关系得出相位差Δθ为最小值时显微镜导电探针针尖电压V_EFM值即为测量位置的表面电势。本发明可广泛应用于对微纳米尺度范围表面电势测量的情况。

Description

一种静电力显微镜测量表面电势的方法

技术领域

本发明涉及一种静电力显微镜测量表面电势的方法

背景技术

在材料的微观分析中，经常需要测量材料微区的表面电势，现在常用的测量材料微观区域表面电势的方法主要是开尔文力显微镜（Kelvin Probe Force Microscopy，KPFM），但是开尔文力显微镜测量结果单一，且量程受到仪器本身限制，开尔文力显微镜使用的MultiMode Nanoscope IIIA系统本身的表面电势测量范围是-10V~+10V，这在一定程度上限制了其应用范围。

发明内容

本发明为了解决开尔文显微镜表面电势测量范围有限的问题，从而提供一种静电力显微镜测量表面电势的方法。

一种静电力显微镜测量表面电势的方法，它包括如下步骤：

步骤一：调整静电力显微镜，使静电力显微镜正常工作于其静电力相位差成像状态；

步骤二：选取待测位置点，对待测位置点进行扫描；

步骤三：在扫描过程中，调整显微镜导电探针针尖电压V_EFM值，使其在-12V~+12V范围内变化；

在每次调整针尖电压V_EFM值之后，记录该针尖电压V_EFM值及测量获得的相位差Δθ；所述相位差Δθ为显微镜导电探针实际振动相位与自由振动相位的差值；将记录的所有数据作为测量数据存储；

步骤四：根据测量数据进行曲线拟合；

步骤五：根据拟合得到的曲线建立显微镜导电探针针尖电压V_EFM值与相位差Δθ的关系式：

tan(Δθ)∝a·(V_EFM-V_S)²+c

其中，a表示环境系统因数；

c表示当V_EFM=V_S时，被测物体表面的其他作用力引起的针尖相位差；

V_S表示被测位置点表面电势；

根据上述关系式，相位差Δθ为最小值时所对应获得的显微镜导电探针针尖电压V_EFM值即为测量位置的表面电势。

有益效果包括：

（1）增加表面电势的直接测量范围，由原来的-10V~+10V增大到-12V~+12V；

（2）静电力显微镜（EFM）的相角测量和表面电势测量功能在同一个工作状态下进行，不必切换工作模式，减少了探针起落容易引起的漂移、定位不准等问题；

（3）通过显微镜导电探针针尖电压V_EFM值与相位差Δθ的关系，可以在表面电势较大、不能直接得到结果时，根据测量得到的曲线拟合外推估算出表面电势大小，使表面电势的预测范围达到-100V~+100V。

附图说明

图1是本发明一种静电力显微镜测量表面电势的方法流程图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式。本具体实施方式为：

步骤一：调整静电力显微镜，使静电力显微镜正常工作于其静电力相位差成像状态；

步骤二：选取待测位置点，对待测位置点进行扫描；

步骤三：在扫描过程中，调整显微镜导电探针针尖电压V_EFM值，使其在-12V~+12V范围内变化；

在每次调整针尖电压V_EFM值之后，记录该针尖电压V_EFM值及测量获得的相位差Δθ；所述相位差Δθ为显微镜导电探针实际振动相位与自由振动相位的差值；将记录的所有数据作为测量数据存储；

步骤四：根据测量数据进行曲线拟合；

步骤五：根据拟合得到的曲线建立显微镜导电探针针尖电压V_EFM值与相位差Δθ的关系式：

tan(Δθ)∝a·(V_EFM-V_S)²+c

其中，a表示环境系统因数；

c表示当V_EFM=V_S时，被测物体表面的其他作用力引起的针尖相位差；

V_S表示被测位置点表面电势；

根据上述关系式，相位差Δθ为最小值时所对应获得的显微镜导电探针针尖电压V_EFM值即为测量位置的表面电势。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中所述的对待测位置点进行扫描之前，先采用轻敲模式探测物体的高度，并根据探测结果调整显微镜导电探针的高度，使该导电探针与被测位置点保持距离Z。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一、具体实施方式二不同的是所述距离Z为10-200nm。

由于显微镜导电探针与被测位置点保持距离Z，且按被测物体表面起伏扫描，故第二次扫描过程中显微镜导电探针不接触被测物体表面，不存在显微镜导电探针与被测物体表面之间原子的短程斥力，且与被测物体表面保持恒定距离，消除了被测物体表面形貌的影响。导电探针因受到长程静电力的作用而引起振幅和相位差Δθ变化。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一不同的是步骤五中所述建立显微镜导电探针针尖电压V_EFM值与相位差Δθ的关系的过程为：

在静电力相位差成像状态下显微镜导电探针的相位差Δθ与力梯度F`的关系为：

$\tan \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\∝-\frac{Q}{k_c}{F}^{\′}---\left(1\right)$

k表示显微镜导电探针的弹性系数；

Q表示显微镜导电探针的质量因子；

F`表示作用于探针的力梯度；

所述作用于探针的力梯度F`为显微镜导电探针与被测物体之间的电容力，为

$F=-\frac{1}{2}\·\frac{\∂C}{\∂Z}\·{(V_{\mathrm{EFM}}-V_S)}^2---\left(2\right)$

其中，C表示显微镜导电探针与被测位置点组成的系统电容；

Z表示显微镜导电探针与被测位置点的距离；

因此公式（1）中力梯度为

$F^{\′}=-\frac{1}{2}\·\frac{{\∂}^{2}C}{\∂Z^2}\·{(V_{\mathrm{EFM}}-V_S)}^2---\left(3\right)$

因此，显微镜导电探针针尖电压V_EFM值与相位差Δθ的关系为：

tan(Δθ)∝a·(V_EFM-V_S)²+c。

本发明采用静电力显微镜进行表面电势的测量，静电力显微镜(Electric ForceMicroscope,EFM)是在原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)基础上发展起来的一种可用于研究表面电学性质的表征技术,其利用导电探针可以同时获得形貌,又获得局域电学方面的信息。具有分辨率高、工作环境要求低、成像载体种类多以及制样简单等优点,大大扩展了研究材料微观局域电学信息的空间。

本发明根据静电力显微镜利用导电探针与被测物体表面的静电力相互作用得到被测物体表面静电势能的特性，对被测物体表面进行扫描，第一次扫描采用轻敲模式进行探测，得到被测物体表面这一位置的高低起伏并记录下来，根据第一次扫描探测结果调整显微镜导电探针的高度，使该导电探针与被测位置点保持距离Z，进行第二次扫描，得到扫描结果为显微镜导电探针针尖电压V_EFM值与相位差Δθ,显微镜导电探针针尖电压V_EFM值的变化范围为-12V~+12V，相位差Δθ随之变化，范围为-90°~+90°，根据测量数据结果进行曲线拟合，根据拟合得到的曲线建立显微镜导电探针针尖电压V_EFM值与相位差Δθ的关系即得到被测物体表面电势，完成测量。

当被测物体表面电势超过显微镜导电探针针尖电压V_EFM值范围-12V~+12V，不能直接得到相位差Δθ的最小值对应的显微镜导电探针针尖电压V_EFM值时，根据拟合的曲线能够估算出表面电势大小，对于表面电势测量是一个有益补充。

Claims (4)

1.一种静电力显微镜测量表面电势的方法，其特征在于它包括如下步骤：

步骤一：调整静电力显微镜，使静电力显微镜正常工作于其静电力相位差成像状态；

步骤二：选取待测位置点，对待测位置点进行扫描；

步骤三：在扫描过程中，调整显微镜导电探针针尖电压V_EFM值，使其在-12V~+12V范围内变化；

在每次调整针尖电压V_EFM值之后，记录该针尖电压V_EFM值及测量获得的相位差Δθ；所述相位差Δθ为显微镜导电探针实际振动相位与自由振动相位的差值；将记录的所有数据作为测量数据存储；

步骤四：根据测量数据进行曲线拟合；

步骤五：根据拟合得到的曲线建立显微镜导电探针针尖电压V_EFM值与相位差Δθ的关系式：

tan(Δθ)∝a·(V_EFM-V_S)²+c

其中，a表示环境系统因数；

c表示当V_EFM=V_S时，被测物体表面的其他作用力引起的针尖相位差；

V_S表示被测位置点表面电势；

根据上述关系式，相位差Δθ为最小值时所对应获得的显微镜导电探针针尖电压V_EFM值即为测量位置的表面电势。

2.根据权利要求1所述的一种静电力显微镜测量表面电势的方法，其特征在于步骤二中所述的对待测位置点进行扫描之前，先采用轻敲模式探测物体的高度，并根据探测结果调整显微镜导电探针的高度，使该导电探针与被测位置点保持距离Z。

3.根据权利要求1或2所述的一种静电力显微镜测量表面电势的方法，其特征在于所述距离Z为10-200nm。

4.根据权利要求1所述的一种静电力显微镜测量表面电势的方法，其特征在于步骤五中所述建立显微镜导电探针针尖电压V_EFM值与相位差Δθ的关系的过程为：

在静电力相位差成像状态下显微镜导电探针的相位差Δθ与力梯度F`的关系为：

$\tan \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\∝-\frac{Q}{k_c}{F}^{\′}---\left(1\right)$

k表示显微镜导电探针的弹性系数；

Q表示显微镜导电探针的质量因子；

F`表示作用于探针的力梯度；

所述作用于探针的力梯度F`为显微镜导电探针与被测物体之间的电容力，为

$F=-\frac{1}{2}\·\frac{\∂C}{\∂Z}\·{(V_{\mathrm{EFM}}-V_S)}^2---\left(2\right)$

其中，C表示显微镜导电探针与被测位置点组成的系统电容；

Z表示显微镜导电探针与被测位置点的距离；

因此公式（1）中力梯度为

$F^{\′}=-\frac{1}{2}\·\frac{{\∂}^{2}C}{\∂Z^2}\·{(V_{\mathrm{EFM}}-V_S)}^2---\left(3\right)$

因此，显微镜导电探针针尖电压V_EFM值与相位差Δθ的关系为：

tan(Δθ)∝a·(V_EFM-V_S)²+c。

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