Kelvin-Sonde

Die Kelvin-Sonde (englisch Kelvin probe, KP) findet bei der zerstörungsfreien Messung der Austrittsarbeit und bei der Untersuchung von Delaminierungsprozessen an Polymer-, Oxid-, und Metall-Grenzflächen Verwendung. ^[1] Die Kombination einer Kelvin-Sonde mit einem Rasterkraftmikroskop wird als Raster-Kelvin-Mikroskop (engl. scanning kelvin probe microscope, SKPM, oder Kelvin probe force microscope, KPFM) bezeichnet.

Der Name der Kelvin-Sonde geht auf Lord Kelvin zurück.^[2]

Prinzip

Messaufbau

Werden zwei Metalle in Kontakt gebracht, so fließen energiereichere Elektronen vom Metall höheren Ferminiveaus zu jenem mit geringerem Ferminiveau, bis diese auf gleicher Höhe liegen (vgl. Kontaktpotential). Aus diesem Elektronenfluss entsteht ein elektrisches Feld und eine Kontaktspannung $\Delta \varphi$. Die Kontaktspannung $\Delta \varphi$ resultiert aus der Austrittsarbeitsdifferenz:

$\Delta W = e \cdot \Delta \varphi$

Die beiden Metalle haben gegeneinander eine Kapazität C. Für die geflossene Ladung gilt:^[3]

$Q=C \cdot \Delta \varphi$.

Messung

Der Aufbau des Messsystems ist ähnlich einem Rasterkraftmikroskop. Bei der Messung verhalten sich eine Sondennadel, die über der Probe mit Piezoaktoren in Schwingung versetzt wird, und die Probe wie zwei Kondensatorplatten.^[4] Durch die Schwingung wird ein Strom i(t) influenziert, welcher linear von der Austrittsarbeitsdifferenz $\Delta \varphi$ und nichtlinear vom Abstand zwischen Sonde und Probe abhängt. Durch eine externe Spannung U kann der Strom i(t) zu Null geregelt werden. Dadurch ist die Austrittsarbeitsdifferenz bestimmt, denn es gilt $U=\Delta \varphi$.

Referenzen

1. ↑ http://chemie.uni-paderborn.de/fachgebiete/tc/ak-grundmeier/ausstattung/
2. ↑ K. Lord: Contact electricity of metals. In: Phil. Mag. 46, 1898, S. 82–120.
3. ↑ Herbert Kliem: Materialien der Mikroelektronik 1. Vorlesungsskript, WS2010/11.
4. ↑ K. Besocke, S. Berger: Piezoelectric driven Kelvin probe for contact potential difference studies. In: Review of Scientific Instruments. 47, Nr. 7, 1976, S. 840–842, doi:10.1063/1.1134750.