静电力显微(EFM)

静电力显微(EFM)是原子力显微的一种电学模式,用于绘制样品电场的变化图,揭示有关表面电势和电荷分布的信息。

静电力显微或 EFM是一种常见的电学AFM模式,它提供有关样品表面电场梯度的有用的定性信息,从而提供了与样品电特性相关的对比机制。 EFM在振幅调制模式下运行,这是一种动态力模式,其中具有薄导电涂层的悬臂以其共振频率驱动(此模式也称为轻敲模式)。这些悬臂不昂贵且可商购。 

由于振荡的悬臂对长程静电力梯度敏感,因此EFM揭示了有关表面电势和电荷分布的定性信息。静电相互作用取决于尖端与样品之间的距离,并且悬臂的共振频率的变化监测了尖端与样品之间的静电场的变化。随着针尖和样品之间的电势差增加,共振频率下降,导致相位信号降低。因此,EFM通道中的较低相位表示针尖和样品之间的电势差较大。

EFM可以单通道或双通道方式操作,类似于开尔文探针力显微(KPFM)等其他电学表征方法。在单通道方法中,尖端以恒定高度越过样品,同时以共振方式振荡,并在尖端和样品之间施加直流偏置电压。因此,EFM相位和振幅信号与地形一起被收集。 EFM的单道方式对于非常平坦的样品可能很有用。对于粗糙的样品或具有大量形貌的样品,应谨慎使用单通道法,因为尖端可能会撞入表面。对于这些类型的表面,双通道法设置是更好的选择:

在更常见的EFM双通道设置中,悬臂在图像的每一行上通过两次。在第一程,尖端在调幅模式下绘制地形图时与样品接触。然后,按照用户规定的量将针尖抬起进行第二次扫描(该抬高参数在每幅图都进行优化,通常只有几纳米或几十纳米),并遵循地形轮廓,但在针尖和样品之间一定有间隙。在第二程中,压电陶瓷继续以其共振频率振动悬臂梁。此外,在该提升了的行程中,在尖端和样品之间施加直流偏压,使得静电力改变共振频率、振幅和相位。得到的EFM振幅和相位信号与地形同时映射,提供了表面结构与其电性能之间的有用关联。这种EFM的采用提供了最佳的空间分辨率,从而使EFM图像与地表地形具有极好的相关性。然而,慢扫描速率加上双通道测量会导致在双通道模式下,一个图像需要很长时间。

EFM的示例

铝点沉积在金基板上,并在尖端和样品之间的不同偏置电压下用EFM成像,以探究这两种金属的不同功函数。 下面的EFM图像显示了叠加在3D地形上的EFM相对比度,其中3D地形的上半部分用+ 3V偏置电压采集,而图像的下半部分用-3V偏置电压采集。 功函数不同的两种金属(如本示例中的铝和金)之间的EFM相差随尖端电压的增加而增大。 这在此样本的EFM相位图中显示。 如图3的上半部分所示,在+ 3V时,铝上的相位较高(红色)。 当电压切换到-3V时,对比度反转,此时铝柱上的相位较低(蓝色),如图中下半部分所示。 这种对比度反转是由于偏置电压的变化而引起的,该偏置电压也表明两种材料与尖端之间的电势差发生了变化。