论文总字数：17652字

摘 要

开尔文探针力显微镜是建立在原子力显微镜的基础上用来对材料在微纳量级上的表面电势及表面形貌进行测量的工具。长期以来，材料在微观区域的组分分布以及组分与材料性能的关系一直是人们关注的问题。而开尔文探针力显微镜的出现就完美解决了这个问题。它可以在对样品本身不造成损伤的情况下测量样品的表面形貌和电势分布，可以给出系统的微观面积变化信息。它对界面状态的微观变化非常敏感，能在分辨率要求很高的情况下使用。该技术还可以与其他电化学和表面分析技术相结合，为微观材料表面分析提供信息。本文首先叙述了显微镜的发展脉络，说明开尔文探针力显微镜的价值所在，然后分析了开尔文探针力显微镜的结构原理以及搭建步骤，重点说明了搭建过程中的光路设计和使用操作方法，通过其高分辨率的优势在半导体材料的微观成像方面的应用，能对CH₃NH₃PbBr₃在暗光和520nm光照条件下以及CH₃NH₃PbBr₃薄膜覆盖在ZnO微米带表面上对其表面电势的改变情况进行观测并给出合理的解释。

关键词：原子力显微镜 开尔文探针力显微镜 接触电势差 表面电势 微观材料 表面形貌

Construction and test of Kelvin probe microscope

ABSTRACT

Kelvin probe force microscope is a tool based on atomic force microscope to measure the surface potential and surface morphology of materials on the micro nano scale. For a long time, the distribution of the components in the micro region and the relationship between the components and the properties of materials have been concerned. The appearance of Kelvin probe force microscope solves this problem perfectly. It can measure the surface morphology and potential distribution of the sample without damage to the sample itself, and can give the information of the micro area change of the system. It is very sensitive to the micro change of the interface state and can be used in the case of high resolution requirements. It can also be combined with other electrochemical and surface analysis techniques to provide information for surface analysis of micro materials. This paper first describes the development of the microscope, explains the value of the Kelvin probe force microscope, and then analyzes the structure principle and construction steps of the Kelvin probe force microscope, focusing on the optical path design and operation methods in the process of construction. Through its high-resolution advantages in the micro imaging of semiconductor materials, it can be used in the micro imaging of CH₃NH₃PbBr₃ Under the condition of dark light and 520nm light, CH₃NH₃PbBr₃ film was covered on the surface of ZnO micro band to observe the change of surface potential and give a reasonable explanation.

Key Words:atomic force microscope; Kelvin probe force microscope; Contact potential difference; Surface potential; Micromaterials; surface topography

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1简介 1

1.2 发展历史 1

1.3研究现状 2

第二章 开尔文探针力显微镜的结构 4

2.1 基本原理 4

2.1.1 工作原理 4

2.1.2 AM-KFPM 6

2.1.3 FM-KFPM 6

2.1.4 AM-KPFM和FM-KPFM的比较 7

2.2 系统基本结构 7

第三章 开尔文探针力显微镜的搭建及测试 9

3.1实验部件介绍 9

3.1.1原子力显微镜介绍 9

3.1.2可调单色光源 9

3.2开尔文探针力显微镜搭建 10

3.2.1开尔文探针力显微镜的整体设计 10

3.2.2悬臂梁系统的光路设计 10

3.3反馈系统设计 11

3.4开尔文探针力显微镜操作步骤 12

3.4.1调整安装尖端和样品 12

3.4.2控制系统设置 13

3.5测试结果及分析 14

第四章 总结与展望 17

参考文献 18

致谢 20

第一章 绪论

1.1简介

开尔文探针力显微镜（Kelvin Probe Force Microscope）是基于振动电容通过测量样品与探针之间的静电力进行样品特征分析的工具。长期以来，材料在微观区域的组分分布以及组分与材料性能的关系一直是人们关注的问题。只有具备高灵敏度和高分辨率，才能在微观情况下研究材料的各种特性。以前的各种分析仪器例如光学显微镜、光谱分析、X射线谱都不能精确地得到微观界面下的样品表面情况，电子显微镜虽然具有很高的分辨率，但却有可能因为高能电子导致样品的损伤。因此，开发一种拥有高分辨率、对成分微观分布敏感的分析方法就有了现实意义。

开尔文探针力显微镜可用于检测各种因素造成的材料表面电势不同区域的变化情况。该技术的主要优点是可以在对样品本身不造成损伤的情况下测量样品的表面形貌和电势分布，可以给出系统的微观面积变化信息。它对界面状态的微观变化非常敏感，能在分辨率要求很高的情况下使用。该技术还可以与其他电化学和表面分析技术相结合，为微观材料表面分析提供信息。作为原子力显微镜的电模拟，开尔文探针力显微镜通常用于观察表面电势[1-3]，电气特征，例如极性[4,5]，掺杂类型[6,7]，均匀性[8]和电荷密度[9]。

1.2 发展历史

1982年，格尔德·宾宁(Gerd Binnig)和海因里希·罗雷尔(Heinrich Rohrer)发明了扫描隧道显微镜,这种显微镜可以观察原子级表面,真正的纳米级实验就此拉开。在之后不久，人们获得了第一幅在Si（111）-7×7表面上显示原子分辨率的图像。正因为如此，原子结构的真实空间成像成为可能，这为微观尺度上的研究提供了方法。因为其工作原理，即量子力学隧穿电流，扫描隧道显微镜本质上局限于对导电表面的研究。1986年，原子力显微镜（AFM）的发明解决了这一限制，它使用了悬臂支撑的尖端。尖端可以通过接触面进行扫描，并且可以测量光束的偏转，例如通过在悬臂的背面使用光学检测。使用原子力显微镜，绝缘材料现在可以在原子尺度上使用。进一步的发展出现了非接触模式的原子力显微镜，其中悬臂梁振动接近其共振频率，并且由于尖端与样品相互作用而引起的振动变化用

请支付后下载全文，论文总字数：17652字