Bio-Logic Sciences Instruments(バイオロジック / フランス)

SKP 走査型ケルビンプローブシステム

SKP(走査型ケルビンプローブ法)は、サンプルとタングステンプローブ間の仕事関数差を測定し、サンプル表面の表面電位をマッピングします。大気中で測定するため、測定環境が安定、再現性の良い測定を実現します。

株式会社東陽テクニカ 理化学計測部
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特長

測定パラメータ:
仕事関数差(eV)
サンプル雰囲気:
気相
測定原理:
タングステンプローブとサンプル間の電位差
特長・用途:
サンプルへの負荷なし
仕事関数差(腐食電位など)を導出
表面電位分布
測定空間分解能:
250μm

機能

図1.SKPの測定原理

図1にケルビンプローブの測定原理を示します。
図は3つのエネルギー準位ダイヤグラムを表しており、2つの金属が分離定数と、それぞれの仕事関数(Φ1、Φ2)およびフェルミ準位(E1、E2)を持っていることを示しています。最初(左のダイヤグラム)は金属間に電気的な接触がない状態で、フェルミ準位に差があります。

次に電気的に回路が接触した時(真中のダイヤグラム)、電荷の移動が生じ、フェルミ準位が等しくなり、その分だけ表面電位が変化します。この電位差Vcは仕事関数の差(Φ1 - Φ2)と以下のような相関があります。ここでeは電荷を表します。

-eVc = Φ1 - Φ2       (1)

次に(右のダイヤグラム)Vb = -Vc という表面電位の差が等しくなるようなオフセット電圧Vb を外部から印加します。この電圧印加により2つの金属間における仕事関数の差を再び示すことになります。この印加電圧を決定するためにプローブを振動させ、ロックインアンプを利用する交流テクニックを用います。
プローブをサンプル表面に対し垂直に、微小な振幅で振動させると、両者間に生ずるキャパシタンスも変調されます。キャパシタンスの変調振幅が最小のとき、 キャパシタンスが最小、すなわちプローブとサンプルの表面電位が一致します。そこで、キャパシタンスの変調により生ずる変調電流振幅をロックインアンプで 検出しながら、キャパシタンスの変調振幅が最小となるよう、印加電圧をフィードバック制御させます。この印加電圧中のオフセット電圧分がすなわちVb で、プローブとサンプル間の仕事関数差と大きさが等しく、符号が逆の値となります。
ところで仕事関数は腐食電位(Ecorr)の決定に用いることができます。

Ecorr = (定数) + (Φ1 - Φ2) (2)

ここで(Φ1 - Φ2)は測定されたプローブとサンプル間の仕事関数です。この定数は電解液中で、通常の参照電極を用いた腐食電位を測定することで決定できます。特定のサンプルでの定数が一度わかれば、Ecorr は電解液なしでSKPの測定データから直接求められます。

アプリケーション

  • エネルギーシステム
  • 双極子層構造
  • ディスプレイ技術
  • 電荷分析
  • フェルミ準位のマッピング
  • 光起電力スペクトロスコピー
  • 腐食
  • 塗膜
  • センサ
  • 太陽電池

ギャラリー

図2.スチール上の酸化亜鉛コーティングの光学イメージ

図3.図2と同一サンプルのSKPマップ

図4.アルミニウム糸状腐食のSKP測定

図5.ITO/有機EL