Что такое зонд Кельвина?

Что такое зонд Кельвина?

Зонд Кельвина — это метод измерения работы выхода и один из методов измерения в микроскопии.

Металлический зонд помещается близко к поверхности образца, и измеряется контактная разность потенциалов, возникающая из-за разницы в работе выхода между образцом и зондом. Используя зонд с известной работой выхода, можно определить работу выхода поверхности образца.

Применение зонда Кельвина

1. Работа выхода тонких пленок

Работа выхода поверхности образца меняется в зависимости от качества тонкой пленки и наличия примесей. В солнечных элементах и ​​датчиках качество тонкой пленки и структура более высокого порядка могут влиять на характеристики устройства.

Измеряя тонкие пленки, осажденные в различных условиях, с помощью метода зонда Кельвина, можно анализировать корреляцию между структурой и свойствами пленки.

2. Солнечные элементы и электролюминесцентные устройства

Измерения зонда Кельвина часто используются для металлических и полупроводниковых материалов. Измерения зонда Кельвина используются в кремниевых солнечных элементах, органических тонкопленочных солнечных элементах, органических ЭЛ и анализе поверхности электродов.

Зонд Кельвина позволяет отображать работу выхода поверхности, которая затем анализируется совместно с изображениями поверхности, измеренными с помощью микроскопа.

3. Определение места коррозии металла

Картирование функции выхода с использованием метода зонда Кельвина также позволяет идентифицировать корродированные области металлов. Поскольку функция выхода изменяется в местах, где произошли химические изменения, такие как коррозия, можно отобразить, где в образце произошли неожиданные реакции.

Принцип зонда Кельвина

Зонд Кельвина — это метод измерения, основанный на атомно-силовой микроскопии (АСМ) и имеющий пространственное разрешение порядка микрометров. Зонд Кельвина — это метод, при котором металлический зонд приводится в контакт с поверхностью образца.

Когда зонд касается поверхности образца, происходит перенос электронов и изменяется уровень Ферми, что приводит к изменению потенциала поверхности образца. Поскольку величина этого изменения потенциала зависит от работы выхода зонда и образца, работу выхода поверхности образца можно определить, используя зонд с известной работой выхода.

Приведя зонд в контакт со всем образцом, можно составить карту работы выхода внутри тонкой пленки, а изменение работы выхода можно использовать для определения областей, где происходит коррозия или изменение качества пленки.

Другая информация о зонде Кельвина

1. Измеряемые материалы

Метод зонда Кельвина позволяет проводить неразрушающие измерения образцов. Можно измерять как органические, так и неорганические тонкие пленки.

Поэтому иногда его используют для измерения работы выхода каждого слоя в поперечном сечении многослойной пленки или для измерения работы выхода в процессе роста тонкой пленки. Кроме того, его часто используют для базовых исследований физической химии, таких как анализ химических реакций, происходящих на поверхностях катализаторов, на основе изменений в работе выхода поверхности.

2. Работа

Работа выхода — это минимальная энергия, необходимая для извлечения электронов из твердого тела. Электроны многочисленны в твердом теле и варьируются от уровня вакуума, который имеет самую низкую кинетическую энергию, до последовательно более высоких энергий. Самый верхний уровень соответствует уровню Ферми, а разница между этим уровнем вакуума и уровнем Ферми — это работа выхода.

Такие устройства, как разрядные электроды и плазменные панели, должны извлекать электроны изнутри твердых тел, и работа выхода играет важную роль. Работа выхода — ключевое слово для электронных устройств.

3. Уровень Ферми

Электроны в веществе имеют различные энергии в зависимости от их температуры. Функция распределения Ферми-Дирака представляет собой вероятность занятия энергетического уровня, который электрон имеет при данной температуре. Уровень энергии с вероятностью занятости 0,5 называется уровнем Ферми.

Уровни энергии электронов в одном атоме дискретны, тогда как в объекте, состоящем из нескольких атомов, существует широкий диапазон уровней энергии, которые могут занимать электроны. Из-за этого ограничения на уровни энергии, которые может иметь электрон, структура уровня Ферми и уровней энергии — это то, что отличает проводники, полупроводники и изоляторы.