KelvinProbeMessungen

KelvinProbeMessungen bezeichnet ein nicht-kontaktierendes Messverfahren zur Bestimmung der Kontaktpotenzialdifferenz CPD zwischen einer Probenoberfläche und einer Referenzoberfläche. Die CPD ergibt sich aus der Differenz der Arbeitsfunktionen φ_sample und φ_probe. In der Praxis erfolgt die Messung häufig mit einem schwingenden Kondensator, bei dem Probe und Referenz eine kapazitive Kopplung bilden. Durch das Anlegen einer Bias-Spannung V_bias kompensiert das Messgerät die Kopplung; der erforderliche Bias entspricht dem CPD und erlaubt Rückschlüsse auf φ_sample relativ zu φ_probe, sofern φ_probe kalibriert ist.

Prinzipiell wird eine kleine oszillierende Bewegung des Referenzelektrodenabstands erzeugt, wodurch die Kopplung verändert und ein Wechselstromsignal erzeugt wird. Die Nullstellung der Kopplung wird in der Regel durch Feedback erreicht, wodurch CPD als Messgröße gewonnen wird. Varianten nutzen unterschiedliche Geometrien (Flächenkondensator, Spitze/Probenfläche) und können in Vakuum oder in Gasatmosphäre betrieben werden. Scanning Kelvin Probe (SKP) bzw. Scanning Kelvin Probe Microscopy (SKPM) liefern räumliche Karten der Arbeitsfunktionen.

Anwendungen umfassen die Charakterisierung der Arbeitsfunktion von Metallen, Halbleitern, Dünnfilmen, Oxiden und zweidimensionalen Materialien, die Untersuchung von Oberflächenreinheit, Adsorption und Korrosionsprozessen sowie Qualitätskontrollen in der Halbleiter- und Materialforschung. Vorteile sind die berührungslose, nicht-destruktive Messung und die Möglichkeit, räumliche Karten von Arbeitsfunktionen zu erstellen (bei SKPM). Zu den Einschränkungen gehören Abhängigkeiten von Oberflächenzustand, Ruheit und Umgebungsbedingungen, die Notwendigkeit einer Kalibrierung der Referenzarbeitsfunktion sowie die Tatsache, dass CPD-Werte relativ sind, sodass absolute Arbeitsfunktionen Kalibrierung gegen Standards erfordern.