Kelvin-Sonde

Die Kelvin-Sonde (englisch Kelvin probe, KP) findet bei der zerstörungsfreien Messung der Austrittsarbeit und bei der Untersuchung von Delaminierungsprozessen an Polymer-, Oxid-, und Metall-Grenzflächen Verwendung. ^[1] Die Kombination einer Kelvin-Sonde mit einem Rasterkraftmikroskop wird als Raster-Kelvin-Mikroskop oder Kelvinsondenkraftmikroskop (engl. scanning Kelvin probe microscope, SKPM, oder Kelvin probe force microscope, KPFM) bezeichnet.

Der Name der Kelvin-Sonde geht auf Lord Kelvin zurück.^[2]

Prinzip

Messaufbau

Werden zwei Metalle in Kontakt gebracht, so fließen energiereichere Elektronen vom Metall höheren Ferminiveaus zu jenem mit geringerem Ferminiveau, bis diese auf gleicher Höhe liegen (vgl. Kontaktpotential). Aus diesem Elektronenfluss entsteht ein elektrisches Feld und eine Kontaktspannung Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \Delta \varphi . Die Kontaktspannung $\Delta \varphi$ resultiert aus der Austrittsarbeitsdifferenz:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \Delta W = e \cdot \Delta \varphi

Die beiden Metalle haben gegeneinander eine Kapazität Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): C . Für die geflossene Ladung gilt:^[3]

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): Q=C \cdot \Delta \varphi .

Messung

Bei der Messung mit einer Kelvin-Sonde verhalten sich die leitfähige Sonde, die über der Probe mit Piezoaktoren in Schwingung versetzt wird, und die Probe wie zwei Kondensatorplatten.^[4] Durch die Schwingung wird ein Strom Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): i(t) influenziert, welcher linear von der Austrittsarbeitsdifferenz Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \Delta \varphi und nichtlinear vom Abstand zwischen Sonde und Probe abhängt. Durch eine externe Spannung Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): U kann der Strom Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): i(t) zu null geregelt werden. Dadurch ist die Austrittsarbeitsdifferenz bestimmt, denn es gilt $U=\Delta \varphi$ .

Der Aufbau eines KPFM ähnelt einem Rasterkraftmikroskop und kann eine bessere Ortsauflösung als die Kelvin-Sonde liefen. Als Sonde dient in diesem Fall eine sehr feine, leitfähige Spitze. Aufgrund der kleinen Geometrie der Spitze ist die Kapazität zwischen Spitze und Probe und somit auch der influenzierte Strom Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): i(t) sehr klein. Mit einem Rasterkraftmikroskop ist jedoch die Messung kleinster Kräfte möglich. Daher wird bei diesem Aufbau statt des Stroms Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): i(t) die elektrostatische Kraft zwischen Spitze und Probe gemessen. Durch Anlegen einer Spannung zwischen Spitze und Probe kann auch hier im Idealfall die Kraft eliminiert werden, so dass Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): U=\Delta \varphi gilt.

Referenzen

↑ Universität Paderborn: Ausstattung
↑ K. Lord: Contact electricity of metals. In: Phil. Mag. 46, 1898, S. 82–120.
↑ Herbert Kliem: Materialien der Mikroelektronik 1. Vorlesungsskript, WS2010/11.
↑ K. Besocke, S. Berger: Piezoelectric driven Kelvin probe for contact potential difference studies. In: Review of Scientific Instruments. 47, Nr. 7, 1976, S. 840–842, doi:10.1063/1.1134750.

Weblinks

Kelvin Probe information site: Kelvin Probe information site
Tutorial [engl.]: Tutorial

[1] Universität Paderborn: Ausstattung

[2] K. Lord: Contact electricity of metals. In: Phil. Mag. 46, 1898, S. 82–120.

[3] Herbert Kliem: Materialien der Mikroelektronik 1. Vorlesungsskript, WS2010/11.

[4] K. Besocke, S. Berger: Piezoelectric driven Kelvin probe for contact potential difference studies. In: Review of Scientific Instruments. 47, Nr. 7, 1976, S. 840–842, doi:10.1063/1.1134750.

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