一种利用开尔文探针力显微镜重建介质表面电荷密度分布的方法

《The Journal of Physical Chemistry A》：A Method to Reconstruct Charge Density Distribution on Dielectric Surfaces Using Kelvin Probe Force Microscopy

　　

摘要

在众多领域中，准确可靠地测量介质材料表面电荷的数量与密度分布具有极其重要的意义。然而，由于自身的测量原理限制，目前广泛使用的KPFM技术在从介质表面的电势测量值中准确得出表面电荷密度方面存在诸多难题。为解决这一问题，本文建立了理论模型以及二维仿真模型，用以模拟KPFM在介质表面进行的实际电势测量过程。该仿真模型的有效性得到了KPFM测量结果及理论分析的部分支持。理论分析和数值计算表明，基于平行板电容器模型的理论公式仅适用于描述均匀带电、无限延伸的介质表面上电势与电荷密度之间的关系。而对于有限大小的带电表面，其测量得到的电势会受到带电区域的大小、探针高度、样品厚度、相对介电常数以及附近表面电荷等多种因素的显著影响。通过拟合仿真结果，我们得出了点电荷上方电势分布的解析表达式。基于这一表达式，我们提出了一种从测量得到的电势数据中重建表面电荷密度分布的方法。

? 2026 美国化学学会