หลักการทำงานของโหมด Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM)
Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) เป็นโหมดการวัดขั้นสูงของ Atomic Force Microscopy (AFM) ที่ใช้สำหรับศึกษาสมบัติทางไฟฟ้าในระดับนาโน โดยเฉพาะการวัด ศักย์ไฟฟ้าพื้นผิว (Surface Potential) และ งานฟังก์ชันของอิเล็กตรอน (Work Function) ของวัสดุแต่ละจุดบนพื้นผิว เทคนิคนี้ช่วยให้สามารถทำแผนที่แสดงการกระจายของศักย์ไฟฟ้า (surface potential mapping) ได้อย่างละเอียดในระดับนาโนเมตร
หลักการทำงานของ KPFM
โหมด KPFM พัฒนามาจากโหมด non-contact AFM หรือ tapping mode AFM โดยใช้หัววัดที่เป็นสื่อนำไฟฟ้า (conductive tip) ระหว่างการสแกน KPFM จะวัดแรงไฟฟ้าสถิต (electrostatic force) ที่เกิดขึ้นระหว่างปลายหัววัดและพื้นผิวตัวอย่าง โดยแรงนี้ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของ ศักย์ไฟฟ้า (electric potential difference) ระหว่างทั้งสองส่วน ซึ่งประกอบด้วย
แรงดันไฟฟ้าคงที่ (DC bias)
แรงดันไฟฟ้าสลับ (AC voltage)
แรงไฟฟ้าสถิตนี้สามารถอธิบายได้จากสมการของประจุบนคาปาซิเตอร์ที่เปลี่ยนแปลงตามระยะระหว่างหัววัดกับตัวอย่าง เมื่อเกิดความต่างศักย์ระหว่างหัววัดกับพื้นผิว ตัวระบบจะตรวจจับการสั่นของ cantilever ที่เกิดจากแรงไฟฟ้าและปรับแรงดันไฟฟ้า (V_DC) ให้มีค่าชดเชยเท่ากับ Contact Potential Difference (CPD) ซึ่งคือความต่างศักย์ระหว่างฟังก์ชันงานของหัววัด (φ_tip) และของตัวอย่าง (φ_sample) ดังนั้นจุดที่แรงไฟฟ้าสถิตหายไป (แรงเป็นศูนย์) คือจุดที่ศักย์ทั้งสองเท่ากัน
การวัดและสร้างภาพ
ในทางปฏิบัติ KPFM ทำการสแกนแบบสองรอบ (Two-Pass Technique)
รอบแรก: หัววัดสแกนพื้นผิวเพื่อเก็บข้อมูล topography เหมือน AFM ทั่วไป
รอบที่สอง: หัววัดจะถูกยกขึ้นจากพื้นผิวเล็กน้อย (Lift Mode) และระบบจะวัดแรงไฟฟ้าสถิตเพื่อตรวจจับความต่างศักย์ในแต่ละตำแหน่ง
ข้อมูลที่ได้จากรอบที่สองจะถูกนำมาสร้างเป็นภาพแผนที่ศักย์ไฟฟ้าพื้นผิว (Surface Potential Map) ซึ่งสามารถระบุพื้นที่ที่มีความแตกต่างของ work function, doping concentration, หรือ surface charge distribution ได้อย่างชัดเจน
ข้อมูลที่ได้จาก KPFM
ศักย์ไฟฟ้าพื้นผิว (Surface potential)
ความแตกต่างของฟังก์ชันงาน (Work function difference)
การกระจายของสารเจือปนในสารกึ่งตัวนำ (Doping distribution)
การสะสมประจุบนพื้นผิว (Surface charge accumulation)
พฤติกรรมการส่งผ่านประจุในวัสดุนาโน (Charge transport behavior)
การประยุกต์ใช้งาน
เทคนิค KPFM ถูกนำมาใช้ในงานวิจัยและอุตสาหกรรมหลากหลายด้าน เช่น
การวิเคราะห์วัสดุ semiconductor, graphene, และ 2D materials
การศึกษาการทำงานของ solar cells, OLEDs, และ transistors
การตรวจสอบคุณสมบัติทางไฟฟ้าของ polymer blends หรือ organic films
การวิเคราะห์พลังงานพื้นผิวของวัสดุ catalyst และ metal oxides
Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) เป็นเครื่องมือที่ทรงพลังในการศึกษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าในระดับนาโน โดยสามารถให้ข้อมูลเชิงพื้นที่ของศักย์ไฟฟ้าและพลังงานอิเล็กตรอนได้อย่างละเอียด การทำงานของมันผสานระหว่างความละเอียดเชิงกลของ AFM และการตรวจวัดสัญญาณไฟฟ้าที่แม่นยำ ทำให้ KPFM กลายเป็นเทคนิคสำคัญในงานวิจัยวัสดุอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ พลังงานทดแทน และนาโนเทคโนโลยี