至今所有的开尔文探针测量可能都已被污染 15 August 2024

未完整的开尔文探针理论

开尔文探针测量是相对的。如果操作正确，它们可以揭示样品与探针尖端之间的接触电位差（CPD 或 Volta 电位）。如果已知探针的功函数，通常可以将此结果转换为样品的功函数。这种做法自19世纪仪器发明以来一直很常见。
问题在于，没有任何开尔文探针会跟踪其探针尖端功函数的变化。因此，测得的 CPD 包含了样品功函数与探针功函数的贡献，而这两个量是由一个方程式来表示其差异的未知量。因此，系统是不完整的，因为我们拥有的方程比未知量少。
这个问题不能通过使用像 HOPG 这样的功函数参考来解决，也不能通过将 CPD 测量与所谓的绝对光发射光谱（APS）相结合来缓解。”所谓的”是因为这种测量，尽管名称乐观，但与 CPD 测量本身一样是相对的。APS 遭遇相同的缺陷——未知量多于方程数。

 

完整的开尔文探针

最近，Instytut Fotonowy的研究人员发现了一个优雅的解决方案。他们发现，对开尔文探针硬件进行小幅修改，并重新设计测量程序，可以生成一个额外的未知量，同时也增加了两个线性方程！这意味着开尔文探针理论最终实现了完整性，因为它拥有与未知量数量相等的独立线性方程！
利用这一发现的系统称为完整开尔文探针。这个系统已经带来了令人惊讶的第一课。在环境空气中进行测量时，所谓的稳定金尖（图中的金色线）在CPD测量期间的变化远大于样品在湿度和温度变化时的变化。有关更多细节，请参见论坛帖子。

 

图示：相对湿度（橙色），温度（绿色），探针尖端的CPD（黄金色）。

Wszystkie pomiary za pomocą Sondy Kelvina do tej pory mogą być zafałszowane 15 August 2024

Niekompletna teoria Sondy Kelvina

Pomiar Sondy Kelvina jest względny. Ujawnia on, jeśli jest wykonany prawidłowo, różnicę potencjałów kontaktowych (CPD lub potencjał Volty) między badaną próbą a końcówką sondy. Wynik ten jest zazwyczaj przeliczany na pracę wyjściową próbki, jeśli znana jest praca wyjściowa końcówki Sondy. Takie praktyki były powszechne od czasu wynalezienia instrumentu w XIX wieku.
Problem polega na tym, że żadna Sonda Kelvina nie śledzi zmian pracy wyjściowej swojej końcówki. W związku z tym, zmierzony CPD zawiera wkład pracy wyjściowej próbki w stosunku do pracy wyjściowej końcówki, które są dwoma nieznanymi wartościami opisanymi przez jedno równanie dla ich różnicy. System jest zatem niekompletny, ponieważ mamy mniej równań niż niewiadomych.
Problem ten nie może być rozwiązany ani poprzez używanie odniesień do pracy wyjściowej, takich jak HOPG, ani poprzez uzupełnianie pomiaru CPD o tzw. spektroskopię fotoemisji absolutnej (APS). “Tak zwane”, ponieważ pomiar ten, mimo optymistycznej nazwy, jest równie względny jak pomiar CPD. Spektroskopia APS cierpi na ten sam mankament – więcej niewiadomych niż równań.

 

Kompletna Sonda Kelvina

Ostatnio badacze z Instytutu Fotonowego natrafili na eleganckie rozwiązanie tego problemu. Okazuje się, że drobna modyfikacja sprzętu Sondy Kelvina oraz przeprojektowanie procedury pomiarowej generują jedną dodatkową niewiadomą, ale również dwa dodatkowe równania liniowe! Oznacza to, że teoria Sondy Kelvina jest teraz kompletna, ponieważ ma tyle samo niezależnych równań liniowych, ile niewiadomych!
System, który wykorzystuje to odkrycie, nazywa się Kompletna Sonda Kelvina. Z pewnością dostarczył pierwsze zaskakujące lekcje. Dla pomiarów w powietrzu atmosferycznym, domniemana stabilna końcówka złota (złota linia na rysunku) zmienia się znacznie bardziej podczas pomiaru CPD niż próbka, gdy wilgotność i temperatura zmieniają się. Zobacz post na forum, aby uzyskać więcej szczegółów.

 

Rysunek: wilgotność względna (pomarańczowy), temperatura (zielony), CPD końcówki sondy (złoty).

All Kelvin Probe measurements until now might be corrupted 15 August 2024

The incomplete Kelvin Probe theory

Kelvin Probe measurements are relative. They reveal, if done correctly, a Contact Potential Difference (CPD or Volta potential) between a sample of interest and the probe’s tip. This result is usually converted to the work function of the sample if the tip’s work function is known.
That was a common practice since the invention of the instrument in the 19th century.
The problem is that no Kelvin Probe tracks the work functions changes of its tip. Thus, the measured CPD contains  contributions of sample work function relative to the tip work function which are two unknown quantities serviced by a single equation for their difference.  So, the system is incomplete as we have fewer equations than unknowns.
This problem cannot be mitigated neither by using work function references like HOPG nor by augmenting the CPD measurement with, so called, Absolute Photoemission Spectroscopy (APS). “So called” because this kind of measurement despite is optimistic name is as relative as the  CPD measurement itself.  The (APS) suffers from the the same shortcoming — more unknowns than the equations.

The Complete Kelvin Probe

Recently, researchers in Instytut Fotonowy stumbled upon an elegant solution to that problem. It turns out that a minor modification to the Kelvin Probe hardware and redesigning the measurement procedure generates  one more unknown but also two more linear equations! That means that finally the Kelvin Probe theory is complete as it has as many independent linear equations as unknowns!
The system that employs that discovery is called the Complete Kelvin Probe.  Sure enough it has delivered first  eyebrow raising lessons. For measurements in ambient air the supposedly stable gold tip (gold line in the picture) varies way more during CPD measurement than a sample when humidity and temperature is changing. See the forum post for more details.

 

Figure: relative humidity (orange), temperature (green), probe’s tip CPD (gold).

Nasza strona internetowa używa plików cookies (tzw. ciasteczka) w celu udogodnienia korzystania odwiedzającym z naszej strony. Pliki cookie nie są przekazywane innym podmiotom niż Instytut Fotnowy Jeżeli nie wyrażasz zgody opuść proszę tę stronę. Akceptuję