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掃描開爾文探針系統的工作原理

更新時間:2024-05-06瀏覽:266次
  掃描開爾文探針系統是一種先進的表面分析技術,用于測量材料表面的電勢分布。它基于開爾文探針的原理,通過掃描探針與樣品表面的近距離相互作用,可以實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
 
  開爾文探針由一個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,由于兩者的功函數差異,電子會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。這個過程中產生的電流可以被放大并檢測出來,從而得出兩個表面之間的功函數差。
 
  二、掃描探針顯微鏡技術
 
  系統利用了掃描探針顯微鏡的技術,將開爾文探針與一個高度敏感的位移傳感器相結合。這個傳感器可以準確地測量探針與樣品之間的距離,并通過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
 
  一個典型的SKP系統包括以下幾個關鍵部分:
 
  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,常見的有光學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。

掃描開爾文探針系統
 

  四、工作過程
 
  1. 校準:在進行測量之前,需要對探針的零點進行校準,通常是通過接觸一個已知功函數的參考表面來進行。
 
  2. 掃描:探針在控制系統的作用下,沿著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,通過位移傳感器記錄下探針的位移,同時檢測由于電荷轉移產生的電流。
 
  4. 圖像重建:將收集到的數據通過計算機處理,重建樣品表面電勢分布的二維圖像。
 
  五、應用領域
 
  SKP技術廣泛應用于物理、化學、生物、材料科學等領域,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。
 
  掃描開爾文探針系統通過結合開爾文探針的原理和掃描探針顯微鏡的技術,提供了一種高分辨率的表面電勢成像方法。它在材料科學、物理學、化學以及生物學等領域具有重要的應用價值。
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