[发明专利]一种基于开尔文探针力显微镜的表面电势测量方法

说明书

本发明属于材料测试技术领域，具体涉及了一种基于开尔文探针力显微镜的表面电势测量方法。利用开尔文探针力显微镜测量得到的针尖一倍频振幅、二倍频振幅与针尖上施加的直流偏压的关系曲线，确定开尔文探针力显微镜测量表面电势时针尖与样品的距离，最终以此针尖与样品的距离实现对样品表面电势的准确测量。

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，具体涉及了一种基于开尔文探针力显微镜的表面电势测量方法。

技术背景

在材料的微观分析中，经常需要测量材料微区的表面电势，现有技术中对于表面电势测量的有效方法是开尔文探针力显微镜技术。

传统开尔文探针力显微镜利用外加直流偏压反馈回路来抵消针尖与样品之间的电场，从而测得样品的表面电势。这种测量方法虽然具有直接、快捷、分辨率高的优点，但是，在半导体材料的测试中，针尖上的直流偏压会导致半导体材料发生能带弯曲；在绝缘体材料的测试中，针尖上的直流偏压会导致绝缘体材料发生表面电荷聚集，进而导致材料表面电势测量不准确。

双谐振开尔文探针力显微镜能够在不加直流反馈回路的情况下，进行表面电势的测量，避免了传统开尔文探针力显微镜中存在的问题。在文献Collins L,Kilpatrick J I,Bhaskaran M,et al.Dual harmonic Kelvin probe force microscopy for surfacepotential measurements of ferroelectrics[C]//Applications of FerroelectricsHeld Jointly with 2012European Conference on the Applications of PolarDielectrics and 2012International Symp Piezoresponse Force Microscopy andNanoscale Phenomena in Polar Materials.IEEE,2012:1-4.中公开了一种双谐振开尔文探针力显微镜测量表面电势的方法，该方法在测量过程中，令直流偏压V_dc＝0V，给探针施加交流电压V_ac使其在频率ω、频率2ω发生简谐振动得到一倍频振幅A_ω与振动相位以及二倍频振幅A_2ω，根据如下关系式得到样品表面电势：

其中，k表示探针的弹性系数，C表示样品与针尖之间的电容，Z表示针尖与样品的距离，V_sp表示样品的表面电势。

为了避免样品与探针之间的作用力对测量结果的影响，扫描过程中采取抬针模式测量一倍频振幅A_ω、二倍频振幅A_2ω以及振动相位信号；在该测量方法中，由公式(1)可知一倍频振幅A_ω与交流电压V_ac需满足线性关系，由公式(2)可知二倍频振幅A_2ω与交流电压V_ac满足抛物线关系；当抬针模式中针尖与样品的距离Z较高或较低时会导致两种关系不成立，从而导致该方法测量样品表面电势不准确。

因此，现有技术公开的开尔文探针力显微镜测量表面电势的方法中存在针尖与样品距离不确定，样品表面电势测量不准确的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于开尔文探针力显微镜的表面电势测量方法，通过确定测量过程中针尖与样品距离，解决样品表面电势测量不准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是，一种基于开尔文探针力显微镜的表面电势测量方法，包括如下步骤：

步骤1、将待测样品固定在位于扫描管上方的样品台上，令探针外加直流电压V_dc＝0V，使开尔文探针力显微镜工作在双谐振模式；