开尔文探针力显微镜 (KPFM)

图 1：典型的 FM-KPFM 测量方案，机械共振信号的解调将在偏置电压调制频率下进行。所有的 KPFM 模式都需要一个 V_AC+V_DC 的电驱动，偏置电压反馈仅作用于 V_DC 上，且被记录下来以反映表面电势。通过对直流偏置电压进行扫描，我们可以重建 CPD 抛物线。V_AC 的调制用于确定该抛物线的最高点，方法是通过锁相放大器或 PLL 测量由此产生的静电力调制，并将该调制的 X 分量降到最低。

在典型的 KPFM 设置方案中，我们会施加一个叠加在直流电压上的交流探针偏置电压，在针尖和样品之间产生静电力，并用标准锁相探测技术进行测量（见图）。根据所采用的测量方案（见表），我们会将静电力或静电力梯度中的解调分量送入 PID 环，由PID 环调节直流偏置电压，使静电力达到最小。当静电影响被所施加的直流源抵消时，我们就得到了所关注的 CPD 值。很多现有的 KPFM 模式都归于两大类别之一，即调幅 KPFM (AM-KPFM) 和调频 KPFM (FM-KPFM)。AM-KPFM 模式稳定且易于实现，但探针尖锥和悬臂的几何形状导致杂散电容较高，因此分辨率有限。AM-KPFM 可用于快速检查大型表面，并且需要的交流驱动电压一般较低。FM-KPFM 模式对静电力梯度敏感，因此具有最佳表面电势分辨率，但该模式在用于粗糙表面时，更难实现优化和稳定运行。最近又发展出了在空气中使用的外差 FM-KPFM 和在真空中使用的 2ω 耗散 KPFM (2ωD-KPFM)，它们都属于最新的定量测量方法，出现伪影的可能非常小。

在更为传统的两次扫描方法中，一次扫描用于确定形貌，另一次用于测量静电影响。与之相比，单次扫描测量方法减少了形貌中的偏置电压伪影，提高了表面电势分辨率，同时缩短了测量时间。单次扫描 KPFM 技术需要对许多参数进行微调，而 Zurich Instruments 的 LabOne^® 控制软件提供了针对各种谐波或频率的多个解调器，此外还有多个反馈环以及移相器和参数扫描器功能，可以确保整个优化过程更加一致，并能以系统化的方式进行。