¿Qué es una Sonda Kelvin?
La sonda Kelvin es un método de medición de la función de trabajo, y se clasifica como una técnica de microscopía.
Este proceso involucra la aproximación de una sonda metálica a la superficie de la muestra. La diferencia de potencial de contacto causada por la disparidad en la función de trabajo entre la muestra y la sonda se mide. Utilizando una sonda con una función de trabajo ya establecida, es posible deducir la función de trabajo de la superficie de la muestra en cuestión.
Usos de las Sondas Kelvin
1. Función de Trabajo de Películas Delgadas
La función de trabajo de la superficie de una muestra depende de la calidad de la película delgada y de la presencia de impurezas. En células solares y sensores, la calidad y la estructura de orden superior de la película delgada pueden influir en las propiedades del dispositivo.
Las películas delgadas depositadas en diversas condiciones pueden medirse utilizando el método de las sondas Kelvin para realizar análisis de correlación entre la estructura de la película y sus propiedades.
2. Células Solares y Dispositivos Orgánicos
Las mediciones mediante la sonda Kelvin se emplean principalmente en materiales metálicos y semiconductores. Se aplican en diversas áreas, como en células solares de silicio, células solares orgánicas de película delgada y dispositivos emisores de luz orgánicos, así como en el análisis de superficies de electrodos.
Este enfoque con la sonda Kelvin permite trazar un mapa de la función de trabajo de la superficie. Este mapeo se combina con imágenes de la superficie obtenidas a través de un microscopio para un análisis completo y detallado.
3. Identificación de las Zonas Corroídas del Metal
La cartografía de la función de trabajo mediante el método de la sonda Kelvin también permite identificar las zonas corroídas de los metales. Dado que la función de trabajo cambia donde se han producido cambios químicos, como la corrosión, es posible cartografiar dónde se han producido reacciones inesperadas en la muestra.
Principio de las Sondas Kelvin
El método de la sonda Kelvin es una técnica de medición basada en la microscopía de fuerza atómica (AFM) y tiene una resolución espacial del orden de micrómetros. El método de la sonda Kelvin consiste en poner en contacto una sonda metálica con la superficie de la muestra.
Cuando la sonda entra en contacto con la superficie de la muestra, se produce una transferencia de electrones y cambia el nivel de Fermi, lo que da lugar a un cambio en el potencial de la superficie de la muestra. La cantidad de este cambio de potencial depende de la función de trabajo de la sonda y la muestra, por lo que la función de trabajo de la superficie de la muestra se puede determinar mediante el uso de una sonda con una función de trabajo conocida.
Al poner la sonda en contacto con toda la muestra, es posible cartografiar la función de trabajo en la película fina e identificar las zonas en las que se está produciendo corrosión o cambios en la calidad de la película basándose en los cambios en la función de trabajo.
Más Información sobre las Sondas Kelvin
1. Sustancias que Pueden Medirse
El método de las sondas Kelvin permite la medición no destructiva de muestras. Pueden medirse tanto películas finas orgánicas como inorgánicas.
Por lo tanto, la función de trabajo de cada capa puede medirse en la sección transversal de una película multicapa, o durante el proceso de crecimiento de una película delgada. También se utiliza a menudo para otros estudios fundamentales en fisicoquímica, como el análisis de las reacciones químicas que se producen en las superficies de los catalizadores a partir de los cambios en las funciones de trabajo superficiales.
2. Función de Trabajo
La función de trabajo es la energía mínima necesaria para que los electrones de un individuo salgan del sólido. Los electrones son numerosos en un sólido y tienen una amplia gama de energías, desde el nivel de vacío de menor energía cinética hasta energías sucesivamente superiores. El nivel más alto corresponde al nivel de Fermi y la diferencia entre este nivel de vacío y el nivel de Fermi es la función de trabajo.
Las funciones de trabajo desempeñan un papel importante en dispositivos como los electrodos de descarga y los paneles de pantallas de plasma, que necesitan extraer electrones del interior de los sólidos. La función de trabajo es la palabra clave en los dispositivos electrónicos.
3. Nivel de Fermi
Los electrones de un material tienen distintas energías en función de su temperatura. La función de distribución de Fermi-Dirac representa la probabilidad de ocupar un nivel de energía que tiene un electrón a una temperatura determinada. El nivel de energía con una probabilidad de ocupación de 0,5 se denomina nivel de Fermi.
Los niveles de energía de un electrón en un átomo son discretos, mientras que en un objeto multiatómico existe una gama de posibles niveles de energía que puede ocupar un electrón. Debido al límite de los niveles de energía que puede ocupar un electrón, la estructura del nivel de Fermi y de los niveles de energía da lugar a la distinción entre conductores, semiconductores y aislantes.