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。它基于原子力顯微鏡（AFM）技術發展而來，結合了電勢差測量技術，成為研究電荷分布和表面電位的有力工具。以下是對開爾文探針力顯微鏡檢測信號的介紹：

一、檢測信號概述

開爾文探針力顯微鏡檢測的核心信號是 樣品表面的電勢信號 。這一信號反映了樣品表面電荷的分布和變化，是理解材料電學性質以及電子器件性能的重要參數。

二、工作原理

KPFM的工作原理基于掃描探針顯微鏡的基本原理，包括一個探針和一個樣品。探針通常由導電的金屬制成，具有極尖的小尖端，而樣品則是待測的表面。在測量過程中，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。這種相互作用力通過原子力顯微鏡的懸掛質量或懸掛彈簧的方式實現測量。

在KPFM中，電位差（或電荷）的測量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實現的。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。

三、檢測信號的具體實現

1. 電勢成像模式 ：
   • 這是KPFM最早的成像模式之一，也是最簡單的成像模式。該模式使用金屬探頭和待測表面之間的電勢差作為成像參數，并通過控制探頭與樣品的距離以保持穩定的電勢信號。
   • 當探頭靠近樣品時，由于電勢的存在，樣品表面的電荷會引入到探頭中，從而改變探頭的電容值。利用這種原理，可以通過檢測探頭的電容變化來確定樣品表面的高度差異和電位分布。
2. 頻率調制成像模式（力曲線成像模式） ：
   • 這是KPFM最常用和的模式之一。在該模式下，探頭被鎖定在一定的振幅和頻率下，當探頭靠近樣品時，其中的諧振頻率和振幅都會發生變化。
   • 這種變化被用來計算出樣品表面的形貌及其物理、化學性質，包括電勢分布。該模式具有高靈敏度，能夠檢測到亞納米級別的高度差異和物理參數變化，并且可以對樣品進行動態觀察。

四、檢測信號的應用

KPFM檢測的信號在多個領域具有廣泛的應用價值：

1. 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。
2. 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。電位分布圖能夠直觀地展示樣品表面的電學特性，為材料科學和電子工程等領域的研究提供重要依據。
3. 納米材料研究 ：
   • KPFM可用于測量納米材料的電學性質，如碳納米管、納米顆粒和二維材料等。這些納米材料在電子器件、能源存儲和轉換等領域具有廣泛應用前景，而KPFM的檢測能力為這些領域的研究提供了有力支持。
4. 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。這有助于理解生物體系的電學性質，為生物醫學工程、藥物研發等領域的研究提供新的視角和方法。
5. 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。通過測量半導體表面的電位分布和電荷狀態，可以深入了解器件的工作機制和性能瓶頸，為半導體技術的發展提供有力支持。

五、總結

開爾文探針力顯微鏡檢測的是樣品表面的電勢信號，這一信號通過測量探針與樣品之間的相互作用力來實現。KPFM具有高分辨率和高靈敏度的特點，能夠精確測量樣品表面的電位分布和電荷狀態。