技术简介：
本发明针对现有开尔文力显微镜测量表面电势范围受限的问题，提出了一种基于静电力显微镜的新型测量方法。此法通过调整导电探针电压，并记录相位差变化，以曲线拟合的方式推算出材料表面电势值，从而将直接测量范围扩展至±12V，并通过外推估算技术进一步扩大到±100V。该发明简化了操作流程，提高了测量精度和范围。
关键词：表面电势,相位差,曲线拟合
专利名称:一种静电力显微镜测量表面电势的方法
—种静电力显微镜测量表面电势的方法
技术领域：
[0001 ] 本发明涉及一种静电力显微镜测量表面电势的方法背景技术[0002]在材料的微观分析中，经常需要测量材料微区的表面电势，现在常用的测量材料微观区域表面电势的方法主要是开尔文力显微镜(Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM)，但是开尔文力显微镜测量结果单一，且量程受到仪器本身限制，开尔文力显微镜使用的MultiMode Nanoscope IIIA系统本身的表面电势测量范围是-1OV +10V，这在一定程度上限制了其应用范围。
发明内容[0003]本发明为了解决开尔文显微镜表面电势测量范围有限的问题，从而提供一种静电力显微镜测量表面电势的方法。[0004]一种静电力显微镜测量表面电势的方法，它包括如下步骤[0005]步骤一调整静电力显微镜，使静电力显微镜正常工作于其静电力相位差成像状态；[0006]步骤二 选取待测位置点，对待测位置点进行扫描；[0007]步骤三在扫描过程中，调整显微镜导电探针针尖电压Vefm值，使其在-12疒+12V 范围内变化；[0008]在每次调整针尖电压Vefm值之后，记录该针尖电压Vefm值及测量获得的相位差 Δ Θ ;所述相位差△Θ为显微镜导电探针实际振动相位与自由振动相位的差值；将记录的所有数据作为测量数据存储；[0009]步骤四根据测量数据进行曲线拟合；[0010]步骤五根据拟合得到的曲线建立显微镜导电探针针尖电压Vefm值与相位差Λ Θ 的关系式[0011]tan(A Θ ) oc a . (Vefm-Vs) 2+c[0012]其中，a表示环境系统因数；[0013]c表示当Vefm=Vs时，被测物体表面的其他作用力引起的针尖相位差；[0014]Vs表不被测位置点表面电势；[0015]根据上述关系式，相位差Λ Θ为最小值时所对应获得的显微镜导电探针针尖电压Vefm值即为测量位置的表面电势。[0016]有益效果包括[0017](I)增加表面电势的直接测量范围，由原来的-10V +10V增大到-12疒+12V ；[0018](2)静电力显微镜(EFM)的相角测量和表面电势测量功能在同一个工作状态下进行，不必切换工作模式，减少了探针起落容易引起的漂移、定位不准等问题；[0019](3)通过显微镜导电探针针尖电压Vefm值与相位差Λ Θ的关系，可以在表面电势较大、不能直接得到结果时，根据测量得到的曲线拟合外推估算出表面电势大小，使表面电势的预测范围达到-100疒+100V。
[0020]图1是本发明一种静电力显微镜测量表面电势的方法流程图。
具体实施方式[0021]
具体实施方式一、结合图1说明本
具体实施方式。本
具体实施方式为[0022]步骤一调整静电力显微镜，使静电力显微镜正常工作于其静电力相位差成像状态；[0023]步骤二 选取待测位置点，对待测位置点进行扫描；[0024]步骤三在扫描过程中，调整显微镜导电探针针尖电压Vefm值，使其在-12疒+12V 范围内变化；[0025]在每次调整针尖电压V efm值之后，记录该针尖电压Vefm值及测量获得的相位差 Δ Θ ;所述相位差△ Θ为显微镜导电探针实际振动相位与自由振动相位的差值；将记录的所有数据作为测量数据存储；[0026]步骤四根据测量数据进行曲线拟合；[0027]步骤五根据拟合得到的曲线建立显微镜导电探针针尖电压Vefm值与相位差Λ Θ 的关系式[0028]tan ( Δ Θ ) oc a . (Vefm-Vs) 2+c[0029]其中，a表示环境系统因数；[0030]c表示当Vefm=Vs时，被测物体表面的其他作用力引起的针尖相位差；[0031]Vs表不被测位置点表面电势；[0032]根据上述关系式，相位差Λ Θ为最小值时所对应获得的显微镜导电探针针尖电压Vefm值即为测量位置的表面电势。[0033]
具体实施方式二、本
具体实施方式与
具体实施方式一不同的是步骤二中所述的对待测位置点进行扫描之前，先采用轻敲模式探测物体的高度，并根据探测结果调整显微镜导电探针的高度，使该导电探针与被测位置点保持距离Ζ。[0034]
具体实施方式三、本
具体实施方式与
具体实施方式一
具体实施方式二不同的是所述距离Z为10-200nm。[0035]由于显微镜导电探针与被测位置点保持距离Z，且按被测物体表面起伏扫描，故第二次扫描过程中显微镜导电探针不接触被测物体表面，不存在显微镜导电探针与被测物体表面之间原子的短程斥力，且与被测物体表面保持恒定距离，消除了被测物体表面形貌的影响。导电探针因受到长程静电力的作用而引起振幅和相位差△ Θ变化。[0036]
具体实施方式四、本
具体实施方式与
具体实施方式一不同的是步骤五中所述建立显微镜导电探针针尖电压Vefm值与相位差Λ Θ的关系的过程为[0037]在静电力相位差成像状态下显微镜导电探针的相位差Λ Θ与力梯度F'的关系为
权利要求1.一种静电力显微镜測量表面电势的方法，其特征在于它包括如下步骤步骤ー调整静电カ显微镜，使静电カ显微镜正常工作于其静电カ相位差成像状态；步骤ニ 选取待测位置点，对待测位置点进行扫描；步骤三在扫描过程中，调整显微镜导电探针针尖电压Vefm值，使其在-12疒+12V范围内变化；在毎次调整针尖电压Vefm值之后，记录该针尖电压Vefm值及测量获得的相位差△ Θ ;所述相位差△ Θ为显微镜导电探针实际振动相位与自由振动相位的差值；将记录的所有数据作为測量数据存储；步骤四根据测量数据进行曲线拟合；步骤五根据拟合得到的曲线建立显微镜导电探针针尖电压Vefm值与相位差△ Θ的关系式
tan ( Δ Θ ) oc a . (Vefm-Vs) 2+c
其中，a表示环境系统因数；c表示当Vefm=Vs时，被测物体表面的其他作用力引起的针尖相位差；Vs表不被测位置点表面电势；根据上述关系式，相位差△ Θ为最小值时所对应获得的显微镜导电探针针尖电压Vefm值即为測量位置的表面电势。
2.根据
权利要求1所述的ー种静电力显微镜測量表面电势的方法，其特征在于步骤ニ中所述的对待测位置点进行扫描之前，先采用轻敲模式探測物体的高度，并根据探测结果调整显微镜导电探针的高度，使该导电探针与被测位置点保持距离Z。
3.根据
权利要求1或2所述的ー种静电力显微镜測量表面电势的方法，其特征在于所述距离Z为10_200nm。
4.根据
权利要求1所述的ー种静电力显微镜測量表面电势的方法，其特征在于步骤五中所述建立显微镜导电探针针尖电压Vefm值与相位差△ Θ的关系的过程为在静电カ相位差成像状态下显微镜导电探针的相位差Λ Θ与力梯度F'的关系为
专利摘要一种静电力显微镜测量表面电势的方法，涉及一种静电力显微镜测量表面电势的方法，解决了开尔文显微镜表面电势测量范围有限的问题。步骤为调整静电力显微镜，使静电力显微镜正常工作于静电力相位差成像状态；选取待测位置点，对待测位置点进行扫描；在扫描过程中，调整显微镜导电探针针尖电压VEFM值，使其在-12V~+12V范围内变化；记录该针尖电压VEFM值及测量获得的相位差Δθ；将记录的所有数据作为测量数据存储；根据测量数据进行曲线拟合；根据拟合得到的曲线建立显微镜导电探针针尖电压VEFM值与相位差Δθ的关系，根据关系得出相位差Δθ为最小值时显微镜导电探针针尖电压VEFM值即为测量位置的表面电势。本发明可广泛应用于对微纳米尺度范围表面电势测量的情况。
文档编号G01Q60/30GKCN102981023SQ201210473948
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月21日
发明者孙志, 韩柏, 宋伟, 张冬, 郭翔宇, 李振凯, 王暄, 雷清泉 申请人:哈尔滨理工大学