Microscopie à sonde de Kelvin

La microscopie à sonde de Kelvin (Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM) est une technique de microscopie à sonde locale, dérivée de la microscopie à force atomique (AFM), permettant la cartographie des variations locales du potentiel de contact et du travail de sortie avec une résolution nanométrique et une sensibilité pouvant atteindre l’échelle du simple électron[1],[2]. La KPFM est utilisée pour l’étude de matériaux conducteurs, semi-conducteurs, isolants ainsi que de bio-interfaces.

Principe de fonctionnement

La KPFM mesure la différence de potentiel de contact (CPD) entre la pointe conductrice de l’AFM et la surface de l’échantillon. Cette différence, liée aux fonctions travail respectives de la pointe et de l’échantillon, induit un transfert de charges et génère des forces électrostatiques agissant sur le levier. En appliquant une tension alternative (AC) et en ajustant une tension continue (DC) de compensation, il est possible de déterminer localement le potentiel de surface[3],[4].

La technique se décline principalement en deux modes : AM-KPFM (modulation d’amplitude) et FM-KPFM (modulation de fréquence), qui diffèrent par la méthode de détection du signal électrostatique.

Applications

La KPFM est largement utilisée dans de nombreux domaines :

  • Matériaux semi-conducteurs – cartographie des variations locales de la fonction travail associées aux grains, aux jonctions et aux défauts cristallins[5].
  • Photovoltaïque et matériaux pérovskites – étude des fluctuations locales du potentiel et du transport de charge dans les matériaux pour cellules solaires.
  • Biomatériaux et bio-interfaces – analyse des potentiels de surface de matériaux biofonctionnalisés et de structures biologiques.
  • Corrosion et revêtements protecteurs – évaluation des variations locales de potentiel associées aux processus de corrosion.
  • Matériaux diélectriques et isolants – mesure de la distribution de charges et des champs électriques locaux.

Historique

La KPFM trouve son origine dans la sonde de Kelvin classique, développée par Lord Kelvin pour mesurer les différences de potentiel de contact entre métaux. Au début des années 1990, cette méthode a été combinée à la microscopie à force atomique, permettant pour la première fois la cartographie du potentiel de surface à l’échelle nanométrique[6].

Voir aussi

Références

  1. ↑ L. Borowik; T. Nguyen-Tran; P. Roca i Cabarrocas; T. Mélin, « Doped semiconductor nanocrystal junctions », Journal of Applied Physics, vol. 114,‎ , p. 204305 (DOI 10.1063/1.4834516)
  2. ↑ Kusiaku K.; Deresmes D.; Theron D.; Diesinger H., « Mapping charge transfers between quantum levels using noncontact atomic force microscopy », Physical Review B, vol. 82,‎ , p. 073302 (DOI 10.1103/PhysRevB.82.073302)
  3. ↑ Pouch S.; Amato M.; Chevalier N.; Triozon F., « Work function measurement of silicon germanium heterostructures combining Kelvin probe force microscopy and X-ray photoelectron emission microscopy », The Journal of Physical Chemistry C, vol. 119,‎ , p. 26776–26782 (DOI 10.1021/acs.jpcc.5b09278)
  4. ↑ Pouch S.; Triouzon F.; Chevalier N.; Mélin T.; Niquet Y.-M., « Electronic structure investigation of Al0.7Ga0.3As/GaAs nanometric heterostructures by Kelvin probe force microscopy », RSC Advances, vol. 6,‎ , p. 6782–6787 (DOI 10.1039/C5RA24505B)
  5. ↑ Sadewasser S.; Glatzel T., « High-resolution work function imaging of single grains of semiconductor surfaces », Applied Physics Letters, vol. 80, no 16,‎ , p. 2979–2981 (DOI 10.1063/1.1471375)
  6. ↑ Nonnenmacher M.; O'Boyle M. P.; Wickramasinghe H. K., « Kelvin probe force microscopy », Applied Physics Letters, vol. 58,‎ , p. 2921–2923 (DOI 10.1063/1.105227)
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