Методы определения контактной разности потенциалов и работы выхода с помощью атомно-силовой микроскопии. Московский физико-технический институт (государственный университет). МФТИ (ГУ)

П.В. Шерстнев, студент IV курса

Московский физико-технический институт

Физика поверхностных явлений получила широкое развитие с появлением атомно-силовых микроскопов (АСМ). Наряду с возможностью получения топографии поверхности, стало возможно определить основные поверхностные характеристики: локальное магнитное поле, локальную ёмкость, силы адгезии, капиллярные силы, вязкоупругие силы, поверхностный потенциал (работу выхода) и многие другие [1].

Как известно, одна из основных характеристик, определяющая возможность испускания электрона с поверхности твёрдого тела является работа выхода. Уменьшение работы выхода приводит к улучшению эмиссионных характеристик катода.

Обычно в АСМ для определения поверхностного потенциала (в том числе работы выхода) используется так называемая Кельвин-мода [2]. Данная методика реализуется в бесконтактном режиме и состоит в регистрации электрически индуцированного возбуждения колебаний кантилевера (зонда) под действием силы пропорциональной разности потенциалов между кантилевером и образцом. Первая гармоника силы взаимодействия определяется выражением

$F_z (\omega ) = \left[ {(U_0 - \varphi (x,y)) \cdot U_1 \cdot \sin (\omega t)} \right] \cdot \frac{{\partial C}} {{\partial Z}}$ (1)

Регистрация силы на первой гармонике позволяет получить картину распределения поверхностного потенциала $\varphi (x,y)$ в случае, если в процессе сканирования поддерживать эту силу равной нулю изменением постоянного напряжением $U_0$ . В соответствие с (1), $F_z (\omega ) \equiv 0$ в случае, если $U_0 = \varphi (x,y)$ при любых значениях возбуждающего потенциала $U_1$ и любых значениях производной поверхности ёмкости.

Однако, в АСМ возможно применение классического метода Кельвина [3]. Если две пластины из разного материала, образующие конденсатор, соединить электрически, то между ними появится контактная разность потенциалов (КРП). Если периодически изменять расстояние между пластинами, то в цепи будет протекать переменный ток I, по амплитуде которого можно судить о величине КРП. Соответственно, зная работу выхода материала зонда, можно определить работу выхода образца. Данный метод так же, как и Кельвин-мода, реализуется в бесконтактном режиме, когда расстояние между зондом и образцом поддерживается постоянным. Зонд колеблется над поверхностью образца с определённой частотой, картина поверхностного распределения работы выхода создаётся по значению амплитуды переменной составляющей тока.

В данной работе был проведён сравнительный анализ данных методов. Приведены результаты исследования распределения поверхностного потенциала в сплаве медь-хром.

Литература

А.А Бухараев, Д.В Овчинников, А.А Бухараева. Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии (обзор), Завод. лаб. – 1997 – N5.
В.А Быков. Приборы и методы сканирующей зондовой микроскопии для исследования модификации поверхностей. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук.