ケルビンプローブフォース顕微鏡

ケルビンプローブフォース顕微鏡の模式図。プローブにレーザー光を照射して表面を走査した時の凸凹に応じて上下するカンチレバーの変移量を4象限フォトダイオードで検出して表面のデータを収集する。

ケルビンプローブフォース顕微鏡（ケルビンプローブフォースけんびきょう、英: Kelvin probe Force Microscopy: KFM）は、原子間力顕微鏡 (AFM) を元に開発された顕微鏡の一種^[1]。イギリスのケルビン卿が接触電位差として探針と試料との電位差が得られることを発見した事が名前の由来となっている^[4]。

特徴

試料の表面形状とポテンシャル像を同時に得ることができるため、デバイス表面物性の評価に有用である。この際、取得されるポテンシャル像は、使用するカンチレバーの仕事関数との差が電位像として取得される^[1]。このKFMは大気中（標準タッピングモード）と真空中（非接触AFMモード）で利用される^[1]。現在、超高真空中にて原子分解能程度まで高感度に観察された例が報告されている^[要出典]。

測定

KFMで用いるカンチレバーは導電性の物を用いる。この際、Au等を蒸着した物を用いる場合が多いが、仕事関数の取り扱いに注意しなければならない。厳密に言うと、KFM測定の際は、程度によるが、金属蒸着プローブ先端はコンタクトモードの場合は必ず削れる事^[要出典]。また、全般的に言ってプローブ先端には金属が蒸着されにくいため、先端部分の仕事関数が一様にならないと考えられる。そのため、蒸着金属の仕事関数をどのように用いてやるか熟考する必要がある^[要出典]。ただ、KFMで得られる仕事関数はプローブの仕事関数の勾配が大きくかかわってくるため、蒸着なしの物の方が概念的に分かりやすい。

また、KFMの信号を取得する際に、零位法で取得する場合と、仕事関数の違いを直接測定する方法がある^[1]。零位法の場合、試料表面とプローブの仕事関数が大きく離れている場合は、仕事関数の差0でフィードバックできない場合がある。仕事関数のフィードバック制御には試料側で行う方法とプローブ側で行う方法がある^[1]が、絶縁体の試料や導電性の低い試料ではプローブ側で行う必要がある^[要出典]。

検出感度

試料表面の仕事関数の分布を電位として捉える際に取得できる最小検出感度は、カンチレバーのばね定数やQ値、曲率半径などにより求める事ができる^[1]。これらの概念的な考え方は、MFMなどと同様である^[要出典]。

問題点と課題

カンチレバーと試料との間のギャップ制御信号と、ポテンシャル像を得るためにカンチレバーに対して2重の加振を行うために、信号の強度は低下し、ノイズレベルは増加する。つまりS/N比が悪化する。そのため、高感度観察は非常に困難である^[要出典]。また、仕事関数の変化はプローブの酸化等の表面状態に顕著であるため、定量的に比較することが難しい^[要出典]。

また、対象がピンニングの強い半導体の場合には特に重要になる、表面準位による電位ピンニングの問題がある。KFMの測定結果を用いて半導体内部の様子を定量的に議論する場合には、この効果に十分注意を払う必要がある^[5]。

脚注

1. ^ 菅原、野村、内藤、李 2012, pp. 18–21, 「2. ケルビンプローブフォース顕微鏡の測定原理」
2. Nonnenmacher,M. and O’Boyle,M. P. and Wickramasinghe,H. K.「Kelvin probe force microscopy」『Applied Physics Letters』第58巻第25号、1991年、2921-2923頁、doi:10.1063/1.105227。 
3. Nonnenmacher, O’Boyle & Wickramasinghe 1991, pp. 2921–2923
4. 菅原ほかの論文の典拠^[2]より、M. Nonnenmacherほか著^[3]）。
5. 水谷 2001, pp. 281–281

参考文献

主な執筆者の50音順。

• 大西洋「ケルビンプローブフォース顕微鏡 (KPFM) を使いこなす」『化学と工業』第64号、2011年。 
• 菅原康弘、野村光、内藤賀公、李艶君「ケルビンプローブフォース顕微鏡とその薄膜成長評価への応用」『顕微鏡』第47巻第1号、日本顕微鏡学会、2012年、doi:10.11410/kenbikyo.47.1_18。 
• 水谷孝「ケルビンプローブフォース顕微鏡への期待」『表面科学』第22巻第5号、日本表面科学会、2001年、281-281頁、doi:10.1380/jsssj.22.281、ISSN 0388-5321。 
• 山田啓文「周波数変調型ケルビンプローブ原子間力顕微鏡による有機薄膜評価」『表面科学』第28巻第5号、2007年、253-263頁。 

洋書

• Nonnenmacher, M.; O’Boyle, M. P.; Wickramasinghe, H. K. (1991-06-24). “Kelvin probe force microscopy”. Applied Physics Letters 58 (25): 2921-2923. doi:10.1063/1.105227. ISSN 0003-6951. 

関連項目

• 走査型プローブ顕微鏡

外部リンク

サイト管理者の50音順。

• ケルビンプローブフォース顕微鏡（KPFM） オプトサイエンス
• 走査型プローブ顕微鏡 > （SPM/AFM）：原理解説 「用語集 KFM (Kelvin Probe Force Microscope)」 日立ハイテク
• PeakForce-KPFM UBE科学分析センター。ケルビンプローブフォース顕微鏡の試料はウエファ表面にAlおよびAuを蒸着した。