扫描开尔文探针显微技术中表面电荷与功函数对偶关系的解析与应用

这篇综述揭示了扫描开尔文探针显微镜（SKPM）在表面电荷（SQ）与功函数（WF）测量中的对偶性关系，通过理论推导和实验验证证明两者点扩散函数（PSF）仅相差电容缩放因子δ/?。研究为绝缘薄层表面电荷的定量测量提供了严谨框架，解决了传统“电容启发式”方法的局限性，并拓展了SKPM在接触起电、腐蚀等领域的应用潜力。

　　

引言

扫描开尔文探针显微镜（SKPM）作为表征表面静电势的关键技术，传统上主要用于导电材料功函数（WF）的测量，但其在绝缘材料表面电荷（SQ）定量分析中的应用长期受限于理论模型的缺失。研究团队通过建立WF与SQ信号的统一数学框架，揭示了二者在SKPM成像中的对偶性关系，为表面静电现象的精准解析提供了新范式。

理论突破

研究首次严格推导出SKPM测量电压与底层源信号的关系，证明无论WF或SQ信号均可表示为与点扩散函数（PSF）的卷积。当电荷存在于导体上方薄绝缘层时，其PSF形状与纯WF变化产生的PSF完全一致，仅需通过电容缩放因子δ/?（δ为绝缘层厚度，?为介电常数）进行转换。这一发现通过有限元模拟得到验证：当绝缘层厚度远小于探针-样品距离且介电常数较低（?/?₀ ? 5）时，传统“电容启发式”公式σ = ?V_S/δ具有严格的理论基础。

实验验证

团队设计了两类PSF校准靶标：

1. 1.

   功函数靶标：通过光刻制备微米级金圆盘，经去卷积处理提取WF-PSF

2. 2.

   电荷靶标：利用等离子聚焦离子束（PFIB）在3 μm厚SiO₂表面制造2 μm直径的电荷点

   高速扫描结果显示两类PSF形状高度吻合（归一化后重叠度＞90%），且电荷靶标信噪比较传统WF靶标提升近10倍。进一步通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）接触起电实验，团队证实SKPM测量总电荷量与法拉第杯结果呈线性相关（斜率-1.15±0.14 C/C），差异主要来源于样品转移过程中的电荷损失。

应用拓展

该理论框架使得：

• •

  校准简化：仅需测量WF或SQ任一PSF即可推导另一种信号响应

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  精度提升：通过PSF去卷积可消除探针几何形状、扫描速度等因素引入的成像畸变

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  领域扩展：为接触起电非均匀性分析、生物膜静电相互作用研究等提供定量工具

实验方法创新

研究建立了完整的标准化流程：

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  样品制备：300°C烘烤处理确保SiO₂表面初始电荷均匀

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  PFIB参数：30 kV加速电压下21 pC总剂量可制造理想电荷点

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  环境控制：氩气氛围降低湿度以延缓电荷衰减

结论与展望

该工作不仅解决了SKPM领域长期存在的电荷量化难题，更揭示了WF与SQ信号的本质关联。未来可通过优化PSF模型进一步拓展至纳米级KPFM测量，或开发适用于高介电材料、三维电荷分布的新型卷积算法。这一理论突破为从微电子器件失效分析到生物界面静电研究等跨学科领域提供了普适性测量框架。