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掃描開(kāi)爾文探針系統的工作原理

更新時(shí)間:2024-05-06瀏覽:446次
  掃描開(kāi)爾文探針系統是一種先進(jìn)的表面分析技術(shù),用于測量材料表面的電勢分布。它基于開(kāi)爾文探針的原理,通過(guò)掃描探針與樣品表面的近距離相互作用,可以實(shí)現對樣品表面電荷密度、功函數和界面電勢差的高分辨率成像和定量分析。
 
  一、原理
 
  開(kāi)爾文探針由一個(gè)懸臂梁和固定在其末端的微型球體組成,球體作為探測器與樣品表面接觸。當探針球體與樣品接觸時(shí),由于兩者的功函數差異,電子會(huì )從功函數低的表面轉移到功函數高的表面,直到兩者的功函數達到平衡狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的電流可以被放大并檢測出來(lái),從而得出兩個(gè)表面之間的功函數差。
 
  二、掃描探針顯微鏡技術(shù)
 
  系統利用了掃描探針顯微鏡的技術(shù),將開(kāi)爾文探針與一個(gè)高度敏感的位移傳感器相結合。這個(gè)傳感器可以準確地測量探針與樣品之間的距離,并通過(guò)反饋控制系統調整探針的位置,以維持恒定的接觸壓力或者間隙。
 
  三、系統組成
 
  一個(gè)典型的SKP系統包括以下幾個(gè)關(guān)鍵部分:
 
  1. 探針:通常由單晶硅制成,探針球體的直徑一般在幾微米到幾十微米之間。
 
  2. 位移傳感器:用于準確測量探針的垂直位移,常見(jiàn)的有光學(xué)杠桿系統和電容傳感器。
 
  3. 控制系統:用于控制探針與樣品之間的距離,保證探針在掃描過(guò)程中保持恒定的接觸壓力或間隙。
 
  4. 信號處理與數據采集系統:處理探針檢測到的信號,并將其轉換為可讀的電勢分布圖。

掃描開(kāi)爾文探針系統
 

  四、工作過(guò)程
 
  1. 校準:在進(jìn)行測量之前,需要對探針的零點(diǎn)進(jìn)行校準,通常是通過(guò)接觸一個(gè)已知功函數的參考表面來(lái)進(jìn)行。
 
  2. 掃描:探針在控制系統的作用下,沿著(zhù)設定的路徑掃描樣品表面。
 
  3. 數據采集:探針與樣品表面接觸時(shí),通過(guò)位移傳感器記錄下探針的位移,同時(shí)檢測由于電荷轉移產(chǎn)生的電流。
 
  4. 圖像重建:將收集到的數據通過(guò)計算機處理,重建樣品表面電勢分布的二維圖像。
 
  五、應用領(lǐng)域
 
  SKP技術(shù)廣泛應用于物理、化學(xué)、生物、材料科學(xué)等領(lǐng)域,特別適合于對半導體、超導體、催化劑、生物膜等材料的表面電勢和功函數的研究。
 
  掃描開(kāi)爾文探針系統通過(guò)結合開(kāi)爾文探針的原理和掃描探針顯微鏡的技術(shù),提供了一種高分辨率的表面電勢成像方法。它在材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)以及生物學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應用價(jià)值。
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