静電力顕微鏡

静電力顕微鏡( EFM ) は、静電力を調べる動的非接触型原子間力顕微鏡の一種です。(ここでの「動的」とは、カンチレバーが振動しており、サンプルと接触していないことを意味します)。この力は、分離された電荷の引力または反発力によって発生します。これは長距離の力であり、 サンプルから 100 nm以上離れた場所でも検出できます。

たとえば、導電性のカンチレバーの先端とサンプルが、通常は真空によって距離z だけ離れているとします。先端とサンプルの間には、外部バッテリーによってバイアス電圧が印加され、両者の間にコンデンサCが形成されます。システムの静電容量は、先端とサンプルの形状によって異なります。そのコンデンサに蓄えられる総エネルギーは、U = ⁠1/2⁠ C⋅ΔV ² 。コンデンサプレート（先端とサンプル）間の一定電圧ΔVを維持するために電池が行う仕事は-2Uです。定義により、総エネルギーの負の勾配U _total = -Uを取ると力が得られます。力のz成分（先端とサンプルを結ぶ軸に沿った力）は、次のようになります。

${\displaystyle F_{静電}={\frac {1}{2}}{\frac {\partial C}{\partial z}}\Delta V^{2}}$。

∂C ⁄ ∂z < 0なので、この力は常に引力です。静電力は電圧を変えることで調べることができ、その力は電圧に対して放物線状になります。注意すべき点の 1 つに、ΔV は単にチップとサンプル間の電圧差ではないということがあります。チップとサンプルは多くの場合同じ材料ではなく、さらに捕捉された電荷や破片などの影響を受ける可能性があるため、 2 つの仕事関数には違いがあります。この差は、電圧で表すと接触電位差V _CPDと呼ばれます。 これにより、放物線の頂点はΔV = V _tip − V _sample − V _CPD = 0になります。通常、 V _CPDの値は数百ミリボルトのオーダーです。この方法では、ピコニュートンほどの小さな力も日常的に検出できます。

電気力顕微鏡の一般的な形態には、非接触 AFM動作モードが含まれます。このモードでは、カンチレバーはカンチレバーの共振周波数で振動し、AFM チップは反発接触状態にならずに長距離静電力のみで感知するように保持されます。この非接触状態では、電気力勾配によってカンチレバーの共振周波数がシフトします。静電力勾配に応じてカンチレバーの振動、位相、周波数シフトを測定することで、EFM 画像を作成できます。

静電力顕微鏡では、そのベースとなる原子間力顕微鏡と同様に、導電性液体は検出される静電力の原因となる電位差の確立を妨げるため、サンプルは非導電性液体にのみ浸すことができます。

• ケルビンプローブフォース顕微鏡- EFM と非常によく似た走査型プローブ顕微鏡技術ですが、 V _CPDの測定に重点を置いています。
• 磁気力顕微鏡– 静電気力勾配の代わりに磁気力勾配を測定する、関連した類似の技術。

• L. Kantorovich、A. Livshits、およびM. Stoneham、「J. Phys.:Condens. Matter 12、795 (2000)」。
• 「水溶液中の表面電荷を調べるための静電力顕微鏡」S. Xu および MF Arnsdorf 著、PNAS 92 (1995) 10384