Was ist eine Kelvin-Sonde?
Eine Kelvin-Sonde ist eine Technik zur Messung der Arbeitsfunktion und gehört zu den Messverfahren der Mikroskopie.
Eine Metallsonde wird in der Nähe der Probenoberfläche platziert und die Kontaktpotentialdifferenz, die sich aus dem Unterschied der Arbeitsfunktion zwischen der Probe und der Sonde ergibt, wird gemessen. Durch die Verwendung einer Sonde mit einer bekannten Arbeitsfunktion kann die Arbeitsfunktion der Probenoberfläche bestimmt werden.
Anwendungen von Kelvin-Sonden
1. Arbeitsfunktion von dünnen Schichten
Die Arbeitsfunktion einer Probenoberfläche hängt von der Qualität der Dünnschicht und dem Vorhandensein von Verunreinigungen ab. Bei Solarzellen und Sensoren können die Schichtqualität und die Struktur höherer Ordnung der Dünnschicht die Geräteeigenschaften beeinflussen.
Dünnschichten, die unter verschiedenen Bedingungen abgeschieden wurden, können mit der Kelvin-Sonden-Methode gemessen werden, was eine Korrelationsanalyse zwischen Schichtstruktur und Eigenschaften ermöglicht.
2. Solarzellen und EL-Bauelemente
Messungen mit der Kelvin-Sonde werden häufig für Metall- und Halbleitermaterialien verwendet. Messungen mit Kelvin-Sonden werden in Silizium-Solarzellen, organischen Dünnschicht-Solarzellen, organischen EL und bei der Analyse von Elektrodenoberflächen durchgeführt.
Mit der Kelvin-Sonde lässt sich die Arbeitsfunktion der Oberfläche abbilden, die in Verbindung mit den mit einem Mikroskop gemessenen Bildern der Oberfläche analysiert wird.
3. Identifizierung der korrodierten Bereiche des Metalls
Die Abbildung der Arbeitsfunktion mit der Kelvin-Sonden-Methode ermöglicht es auch, korrodierte Bereiche von Metallen zu identifizieren. Da sich die Arbeitsfunktion dort ändert, wo chemische Veränderungen wie z. B. Korrosion stattgefunden haben, lässt sich abbilden, wo in der Probe unerwartete Reaktionen ablaufen.
Funktionsweise der Kelvin-Sonde
Die Kelvin-Sonden-Methode ist ein Messverfahren, das auf der Rasterkraftmikroskopie (AFM) basiert und eine räumliche Auflösung in der Größenordnung von Mikrometern hat. Bei der Kelvin-Sonden-Methode wird eine Metallsonde mit der Probenoberfläche in Kontakt gebracht.
Wenn die Sonde mit der Probenoberfläche in Berührung kommt, findet ein Elektronentransfer statt und das Fermi-Niveau ändert sich, was zu einer Änderung des Potenzials der Probenoberfläche führt. Das Ausmaß dieser Potenzialänderung hängt von der Arbeitsfunktion der Sonde und der Probe ab, so dass die Arbeitsfunktion der Probenoberfläche durch Verwendung einer Sonde mit bekannter Arbeitsfunktion bestimmt werden kann.
Indem man die Sonde mit der gesamten Probe in Kontakt bringt, ist es möglich, die Arbeitsfunktion in der Dünnschicht abzubilden und Bereiche zu identifizieren, in denen Korrosion oder Veränderungen der Schichtqualität aufgrund von Veränderungen der Arbeitsfunktion auftreten.
Weitere Informationen zu Kelvin-Sonden
1. Messbare Substanzen
Die Kelvin-Sonden-Methode ermöglicht die zerstörungsfreie Messung von Proben. Es können sowohl organische als auch anorganische Dünnschichten gemessen werden.
So kann die Arbeitsfunktion jeder Schicht im Querschnitt eines mehrschichtigen Films oder während des Wachstumsprozesses eines dünnen Films gemessen werden. Sie wird auch häufig für andere grundlegende Studien in der physikalischen Chemie verwendet, z. B. für die Analyse chemischer Reaktionen auf Katalysatoroberflächen anhand von Änderungen der Oberflächenarbeitsfunktionen.
2. Arbeitsfunktion
Die Arbeitsfunktion ist die Mindestenergie, die erforderlich ist, um die Elektronen eines Individuums aus dem Festkörper herauszuholen. Elektronen sind in einem Festkörper zahlreich und haben eine große Bandbreite an Energien vom Vakuumniveau mit der niedrigsten kinetischen Energie bis hin zu sukzessive höheren Energien. Das oberste Niveau entspricht dem Fermi-Niveau und die Differenz zwischen diesem Vakuumniveau und dem Fermi-Niveau ist die Arbeitsfunktion.
Arbeitsfunktionen spielen eine wichtige Rolle in Geräten wie Entladungselektroden und Plasmabildschirmen, die Elektronen aus dem Inneren von Festkörpern herausholen müssen. Die Arbeitsfunktion ist das Schlüsselwort in elektronischen Geräten.
3. Fermi-Niveau
Die Elektronen in einem Material haben je nach Temperatur unterschiedliche Energien. Die Fermi-Dirac-Verteilungsfunktion gibt die Wahrscheinlichkeit an, mit der ein Elektron ein Energieniveau bei einer bestimmten Temperatur besetzt. Das Energieniveau mit einer Besetzungswahrscheinlichkeit von 0,5 wird als Fermi-Niveau bezeichnet.
Die Energieniveaus eines Elektrons, das von einem einzelnen Atom gehalten wird, sind diskret, während es in einem mehratomigen Objekt eine Reihe möglicher Energieniveaus gibt, die ein Elektron einnehmen kann. Aufgrund der Begrenzung der Energieniveaus, die ein Elektron einnehmen kann, führt die Struktur des Fermi-Niveaus und der Energieniveaus zu der Unterscheidung zwischen Leitern, Halbleitern und Isolatoren.