Qu’est-ce qu’une sonde Kelvin ?
Une sonde Kelvin est une technique de mesure de la fonction de travail et constitue l’une des techniques de mesure de la microscopie.
Une sonde métallique est placée près de la surface de l’échantillon et la différence de potentiel de contact résultant de la différence de travail entre l’échantillon et la sonde est mesurée. L’utilisation d’une sonde dont la fonction de travail est connue permet de déterminer la fonction de travail de la surface de l’échantillon.
Utilisations des sondes Kelvin
1. Fonction de travail des couches minces
La fonction de travail de la surface d’un échantillon dépend de la qualité du film mince et de la présence d’impuretés. Dans les cellules solaires et les capteurs, la qualité du film et la structure d’ordre supérieur du film mince peuvent influencer les propriétés du dispositif.
Les films minces déposés dans diverses conditions peuvent être mesurés à l’aide de la méthode des sondes Kelvin, ce qui permet d’analyser la corrélation entre la structure et les propriétés du film.
2. Cellules solaires et dispositifs EL
Les mesures à l’aide de la sonde Kelvin sont souvent utilisées pour les matériaux métalliques et semi-conducteurs. Les mesures à l’aide de sondes Kelvin sont effectuées dans les cellules solaires au silicium, les cellules solaires organiques à couche mince, les EL organiques et dans l’analyse des surfaces d’électrodes.
La sonde Kelvin permet de cartographier la fonction de travail de la surface, qui est analysée en conjonction avec les images de la surface mesurées à l’aide d’un microscope.
3. Identifier les zones corrodées du métal
La cartographie de la fonction de travail à l’aide de la méthode de la sonde kelvin permet également d’identifier les zones corrodées sur les métaux. Comme la fonction de travail change là où des changements chimiques tels que la corrosion se sont produits, il est possible de cartographier les endroits où des réactions inattendues se produisent dans l’échantillon.
Principe de la sonde Kelvin
La méthode de la sonde Kelvin est une technique de mesure basée sur la microscopie à force atomique (AFM) et possède une résolution spatiale de l’ordre du micromètre. La méthode de la sonde Kelvin consiste à mettre en contact une sonde métallique avec la surface de l’échantillon.
Lorsque la sonde entre en contact avec la surface de l’échantillon, un transfert d’électrons se produit et le niveau de Fermi change, ce qui entraîne une modification du potentiel de la surface de l’échantillon. L’importance de ce changement de potentiel dépend de la fonction de travail de la sonde et de l’échantillon, de sorte que la fonction de travail de la surface de l’échantillon peut être déterminée en utilisant une sonde dont la fonction de travail est connue.
En mettant la sonde en contact avec l’ensemble de l’échantillon, il est possible de cartographier la fonction de travail dans le film mince et d’identifier les zones où la corrosion ou les changements dans la qualité du film se produisent sur la base des changements dans la fonction de travail.
Autres informations sur les sondes kelvin
1. Substances mesurables
La méthode des sondes Kelvin permet d’effectuer des mesures non destructives sur des échantillons. Les films minces organiques et inorganiques peuvent être mesurés.
Par conséquent, la fonction de travail de chaque couche peut être mesurée dans la section transversale d’un film multicouche ou pendant le processus de croissance d’un film mince. Elle est également souvent utilisée pour d’autres études fondamentales en chimie physique, telles que l’analyse des réactions chimiques se produisant à la surface des catalyseurs sur la base des changements dans les fonctions de travail de la surface.
2. Fonction de travail
La fonction de travail est l’énergie minimale requise pour faire sortir les électrons d’un individu du solide. Les électrons sont nombreux dans un solide et possèdent une large gamme d’énergies, depuis le niveau du vide à l’énergie cinétique la plus basse jusqu’à des énergies de plus en plus élevées. Le niveau le plus élevé correspond au niveau de Fermi et la différence entre ce niveau du vide et le niveau de Fermi est la fonction de travail.
Les fonctions de travail jouent un rôle important dans des dispositifs tels que les électrodes de décharge et les écrans plasma, qui doivent extraire des électrons de l’intérieur des solides. La fonction de travail est le mot clé des dispositifs électroniques.
3. Niveau de Fermi
Les électrons d’un matériau ont des énergies différentes en fonction de la température. La fonction de distribution de Fermi-Dirac exprime la probabilité qu’un électron occupe un niveau d’énergie qu’il possède à une température donnée. Le niveau d’énergie dont la probabilité d’occupation est de 0,5 est appelé niveau de Fermi.
Les niveaux d’énergie d’un électron détenu par un seul atome sont discrets, alors que dans un objet à plusieurs atomes, il existe une gamme de niveaux d’énergie possibles qu’un électron peut occuper. En raison de la limite des niveaux d’énergie qu’un électron peut occuper, la structure du niveau de Fermi et des niveaux d’énergie est à l’origine de la distinction entre les conducteurs, les semi-conducteurs et les isolants.