KPFM在電介質電荷行為研究中的應用

郭皓敏， 張梓軒， 賈貝貝， 陳承相， 吳 鍇， 周 峻

（西安交通大學 電氣工程學院 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

0 引 言

電力絕緣材料常常在表面、界面帶電等因素的作用下發生老化、放電甚至擊穿，在工業環境中，絕緣材料的帶電會進一步造成火災、電子設備損壞等危害[1-8]。加強對電介質電荷產生、遷移等機制的系統認識是保障電力設備和電子器件安全穩定運行的重要基礎。

如今，對于電介質電荷行為的研究面臨3 個方面的挑戰：①對于固體表面的電氣特性描述與定義仍較為困難，例如在缺陷導致的電荷積聚、摩擦帶電的電荷性質等方面缺乏相應的研究工具[9]；②納米科學的發展使得納米復合材料在電氣領域的應用更加廣泛，分散相納米顆粒與連續相界面處的電荷行為深刻影響著材料的宏觀性能，如擊穿行為、介電性能等[10]，但相關的研究還較少；③器件的小型化要求對電荷行為研究的尺度進一步縮小至亞微米級別[11]。為了應對這些挑戰，需要一種分辨率更高的電荷表征手段，以滿足亞微米尺度甚至原子級尺度下電荷行為研究的需求。然而，在電介質電荷的測量領域中應用較為成熟的技術分辨率均在幾微米及以上[12]，難以觀測亞微米尺度的電荷行為，無法實現對材料不同結晶晶型的電荷行為以及復合電介質填料與基體界面的電荷行為的研究。

開爾文探針力顯微鏡（Kelvin probe force microscopy，KPFM），是一種基于開爾文原理的高分辨率掃描探針顯微表征儀器，能較準確地測量樣品的表面電勢[13]。在空間分辨率方面，KPFM 具有絕對優勢，其測量的表面電勢可以達到納米級的分辨率[14-16]。KPFM 測得的表面電勢通過泊松方程進行轉換便可以得到空間電荷的分布[17]。WANG S 等[18]總結了包括KPFM 方法在內的多種研究聚合物納米復合電介質中基質/顆粒界面特性的策略。KPFM 已經被用于分析微觀尺度研究離子晶體[19-21]、聚合物[22]、鐵電體[23]等電介質表面的電荷注入與運動過程，以及界面接觸帶電的機理、電荷性質[24-26]等，并取得了諸多重要的研究成果。利用KPFM 得到的電勢測量結果進行電荷行為研究大多是基于定性分析，也有部分研究致力于建立更完善的模型以及算法來提高電荷計算的準確性[22,27]，但基于定量分析的研究成果仍然較少。另外，目前的KPFM 研究與其他研究方法以及傳統方法結合較少，在固液界面進行的電荷行為相關研究也不夠深入，關于在更小時間尺度上的電荷動態變化研究也不夠成熟，因此KPFM 在電介質的電荷行為研究方面仍值得探索。在現有綜述中，仍然缺乏對KPFM 在電介質電荷行為研究應用領域的橫向綜述，對KPFM 用于不同電介質電荷行為研究的不足和爭議之處也缺乏相應總結。

本文重點綜述利用KPFM 進行高分辨率電介質電荷行為研究的進展。首先介紹KPFM 測量表面電勢的原理，并進一步探討KPFM 在表面電荷行為、界面電荷行為分析中的應用，然后對KPFM 在電介質電荷行為研究中的應用前景進行總結與展望。

1 KPFM介紹

開爾文探針力顯微鏡（KPFM）是在原子力顯微鏡（AFM）的基礎上發展起來的，它結合了開爾文方法和AFM對力的敏感特性，能夠對多種材料的表面電勢進行測量。開爾文方法是KPFM 運行的理論基礎，同時掌握KPFM 的工作模式對精確測量不同材料的表面物理特性也十分重要，因此下文將對這兩方面進行詳細介紹。

1.1 開爾文方法

開爾文方法發明于1898 年，其主要內容是：當兩種具有不同功函數的金屬接觸或相連接時，電子將會從費米能級高的材料流向費米能級低的材料，直到兩種金屬的費米能級相同。圖1為開爾文方法原理圖，其中圖1(a)為兩種金屬未接觸時的能級示意圖；兩金屬接觸后，電子的轉移會使兩種材料之間形成一個電勢差，稱為接觸電勢差（VCPD），如圖1(b)所示；圖1(c)顯示了在兩種材料之間施加一個外加電壓VDC，若使VDC=VCPD，則兩種材料的真空能級對齊，內建電場為0，接觸電勢差的大小就等于外加電壓的大小，利用公式φ2=φ1-eVCPD就可以通過一種金屬的功函數求得另一種金屬的功函數，其中φ1、φ2為兩種金屬的功函數，e為電子電量。

圖1 開爾文方法原理圖Fig.1 Schematic diagram of Kelvin method

1.2 KPFM工作模式

1.2.1 閉環KPFM模式

傳統的閉環KPFM 模式主要包括振幅調制（AM-KPFM）模式和頻率調制（FM-KPFM）模式，這兩種模式的主要區別：AM-KPFM 的基礎是靜電力調零，而FM-KPFM 的基礎則是基于靜電力梯度調零。對于KPFM 而言，探針和樣品可以看成上述開爾文方法中的兩種材料，在測量過程中，探針和樣品之間除了外加的直流補償電壓VDC外，還有一個頻率為ω、幅值為VAC的交流電壓，用來引起探針振動。探針與樣品之間的電場力（F）可由式（1）計算得到。

式（1）中：C是探針和樣品之間的局部電容；ΔV是兩者之間的電勢差；Z是兩者之間的距離。

將ΔV=VDC-VCPD+VACsinωt代入式（1）得到探針-樣品電場力的表達式，如式（2）所示。

式（2）可以分為直流電場力FDC、一倍頻電場力Fω和二倍頻電場力F2ω，如式（3）～（5）所示。

圖2為AM-KPFM 的原理圖[28]，對于AM-KPFM而言，當VDC=VCPD時，一倍頻電場力等于0，懸臂在一倍頻處的振幅很快也會降為0，此時只要使用鎖相器檢測一倍頻振幅為0的時刻的VDC，即可得到樣品表面的電勢分布。

圖2 AM-KPFM原理圖Fig.2 Schematic diagram of AM-KPFM

然而對于FM-KPFM 而言，需要對式（3）～（5）的靜電力進行進一步求導，得到式（6）～（8）。

當VDC=VCPD時，一倍頻的電場力梯度Fω'為零，再利用電場力梯度與懸臂共振頻率的聯系得到Fω'為零時的VDC值，從而獲得表面電勢數據。與AMKPFM相比，FM-KPFM具有更高的空間分辨率。

1.2.2 開環KPFM模式

開環KPFM 是一種沒有直流電壓反饋的KPFM模式，在上述的傳統閉環KPFM 模式中，KPFM 表面電勢的測量范圍為-10～10 V，然而，在絕緣體表面由于電荷積聚，電勢可能遠遠超過這個范圍。為了安全地實現絕緣表面電勢的高壓測量，可以關閉外加電壓反饋，在開環狀態下用計算法測量表面電勢。同時，由于關閉了直流電壓反饋，開環KPFM模式允許在電勢測量時在針尖和樣品之間施加直流偏壓。這種開環KPFM 在不同文獻中有高壓KPFM（KPFM-HV）、雙諧振KPFM （DH-KPFM）以及開環KPFM（OL-KPFM）等不同命名[29-31]，但其背后的原理都是類似的，介紹如下：

由式（3）～（5）可得，當沒有外加直流電壓時，一倍頻靜電力和二倍頻靜電力可分別表示為式（9）和式（10）。

又由于懸臂的振幅與懸臂的驅動力成正比，一倍頻處的振幅和二倍頻處的振幅分別滿足式（11）和式（12），若VAC的頻率偏離懸臂的諧振頻率，則可以近似得到式（13）。

式（11）～（13）中：Aω、A2ω分別為一倍頻處和二倍頻處的振幅。

因此只要利用鎖相器得到振幅Aω和A2ω，便可以計算得到樣品的表面電勢，開環KPFM 原理圖如圖3所示[28]。

1.3 KPFM電荷注入及其行為分析方法

1.3.1 KPFM電荷注入方法

利用KPFM 進行電荷行為研究時，常常需要向樣品施加電壓，向樣品內注入電荷，再分別測量樣品注入電荷時和去除外界電壓后電荷耗散過程的表面電勢，根據測得的表面電勢隨時間的變化規律，實現對電介質電荷行為的分析。

常用的電荷注入方式有兩種，即利用KPFM 本身探針實現的縱向加壓，以及在樣品兩側加裝電極實現的橫向加壓。縱向探針加壓[32]以及橫向外加電極加壓[33]的原理如圖4～5所示。

圖4 AFM針尖向氮化硅薄膜縱向注電示意圖Fig.4 Schematic diagram of AFM tip injecting charge into SiNx film longitudinally

圖5 橫向電極間納米復合薄膜的KPFM測量Fig.5 KPFM measurement of nanocomposite films between transverse electrodes

在縱向加壓實驗中，KPFM 允許在探針和樣品之間施加直流電壓，探針針尖能夠向樣品注入電荷。但施加的縱向電場也會引起樣品的極化，這種垂直于樣品表面的極化會引起表面電勢的改變，導致KPFM 測得的表面電勢數據其實是注入電荷和極化效應引起的電勢變化的總和，目前仍然缺乏如何解耦這兩種表面電勢數據的相關研究。橫向加壓則是在制樣時在樣品兩端分別加裝電極，使用外部電源以平行于樣品表面的方向來向樣品注入電荷，從而避免了縱向極化對表面電勢的影響，但其制樣過程相對復雜。

1.3.2 KPFM電荷計算方法

如前文所述，KPFM 測得的是樣品表面電勢數據，若要利用這個數據進行電荷行為的分析，仍需要通過一定的計算過程。目前較為常用的將表面電勢分布轉化為電荷分布的計算方法有泊松方程以及電容器方程。

根據泊松方程，設表面電勢為φ(x)，則樣品表面的電場E(x)以及電荷分布ρ(x)可以分別由式（14）和式（15）計算[22]。

式（14）～（15）中，ε0和εr分別為真空介電常數和樣品的相對介電常數。

使用電容器方程時，須假設KPFM 足夠大的區域上的電荷密度σ(x,y)與表面電勢φ(x,y)成比例，并忽略針尖和樣品間氣隙的電容，則電荷分布可由式（16）得到[34]。

式（16）中，d為樣品的厚度。

2 基于KPFM的表面電荷行為分析

電介質表面電荷的積聚與消散對其擊穿、儲能、物理性能等起著重要作用。KPFM 能夠在納米級分辨率下提供電介質表面的電勢信息，這些電勢信息可以間接反映電介質表面的帶電情況，因此，KPFM 有利于在較高分辨率下研究電介質表面電荷的局部變化。

2.1 聚合物、納米復合材料的表面電荷

電介質尤其是聚合物和納米復合材料中的電荷運動特性一直受到廣泛關注。研究聚合物中電荷的產生、注入和運動對理解納米復合電介質的介電性能演化機制具有重要意義，KPFM 成為了研究電介質薄膜電荷行為的有力工具。

對于聚合物以及納米復合材料，CHANG J 等[35]將親水性和疏水性納米SiO2以不同比例摻入低密度聚乙烯（LDPE）中，通過KPFM 研究了納米顆粒親水性和濃度對聚合物表面電勢衰減的影響，該工作是直接利用KPFM 針尖對樣品進行縱向注電，會引起材料垂直方向的極化，影響空間電荷測量的準確性。對于電極與材料界面處的電荷行為研究需要實時注入電荷，此時需要在水平方向加裝電極來進行KPFM 研究。K FALIYA 等[22]用KPFM 測量了水平鋁電極之間的聚氧化乙烯（PEO）的表面電勢，并在此基礎上研究了如何減小表面電勢信號的噪聲對空間電荷測量的影響，然而這種方法只有在樣品較厚時才比較準確。以上研究的側重點在于如何提高表面電勢計算電荷分布的準確性，更多地針對電極和材料界面處的電荷測量值是否與理論相符，并未對所得的電極-電介質電荷分布的含義進行具體分析。在利用KPFM 測量結果分析納米復合材料電學性能方面，YUAN C 等[36]采用水平加電極的方法，對聚醚酰亞胺/[6,6]-苯基-C71-丁酸異甲酯（PEI/PCBM）復合材料進行了KPFM 表面電勢測量，證明分子半導體的加入極大地改變了介電聚合物的介電性能。為研究材料電學性質與物理結構的關系，K GAJEWSKI 等[37]將KPFM 與電學測量裝置和拉伸實驗結合起來，研究了石墨烯-低密度聚乙烯復合材料在對稱拉伸階段的電學性質變化。上述工作為在亞微米尺度上進行表面電荷行為分析、高分辨率空間電荷分布計算以及材料的電學性能研究奠定了基礎，然而這些方法依然是基于定性分析進行的，在KPFM 測試中，環境條件（如濕度、氣體環境）、探針狀態、樣品表面粗糙度、探針與樣品的距離等對表面電勢測量的準確性都有影響，對表面電勢數據噪聲的后期處理方法也會進一步影響電荷分布計算值的準確性，因此，在此基礎上完善實驗條件、優化數據處理方法，提高由表面電勢分布計算得到的電荷分布準確性是十分必要的。

2.2 鐵電材料的極化

鐵電材料是電介質中一個特殊的分支，其在一定溫度范圍內會產生自發極化，其自發極化可以在外電場作用下改變方向，且具有壓電效應、熱釋電效應和電卡效應，因此在電子元器件、信息存儲、制冷、光催化等領域得到了廣泛應用[38-40]。KPFM測得的表面電勢能夠在納米尺度體現鐵電材料的極化，因此在鐵電薄膜的極化、鐵電疇切換、表面電荷寫入等研究中獲得了許多應用。

Y KIM 等[41-43]用KPFM 對鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜進行了一系列研究：測量了不同極化區域改變施加電壓的極性和極化面積時的表面屏蔽效應，如圖6所示；研究了晶界和晶粒的電位以及晶界表面電位的弛豫行為，并將KPFM 與壓電力顯微鏡（PFM）相結合，研究了接地尖端的電荷轉移和極化反轉。除PZT 外，KPFM 也應用于其他鐵電材料的研究。J Y SON等[44]還研究了鈦酸鍶鋇（SBT）薄膜的不同晶粒形狀對鐵電極化的影響，結果表明長矩形晶粒的SBT 薄膜更容易發生鐵電疇切換；同時，他們也對比了SBT 與PZT 在數據存儲方面的差異，證明PZT在極化期間更不容易受電荷注入影響，比SBT 更適合存儲數據[45]。以上研究表明，對于鐵電薄膜的研究，一方面最好將KPFM 測量的電勢結果與表面形貌、PFM 測量以及變溫測量等相結合，以更深入地研究鐵電材料的相變、極化電荷行為以及屏蔽效應等現象；另一方面，雖然KPFM 具有較高的空間分辨率，但其時間分辨率很低，只能測得分鐘以上級別的電荷動態，而實際上電荷注入與耗散的某些動態過程是非常迅速的，在以往的KPFM 研究中，較小時間尺度的電荷動態往往被忽視了[46-47]，因此近年來時間分辨KPFM也成為KPFM應用的一個重點研究方向，這為在更小時間尺度上理解鐵電材料的電荷注入在極化和屏蔽中的作用原理以及鐵電材料的表面電荷弛豫提供了新的思路。

圖6 施加不同電壓時極化區域的表面電勢和形貌Fig.6 Surface potential and morphology of polarized region under different voltage

除了以上提到的研究外，許多學者利用KPFM在鐵電薄膜上進行定向納米組裝的研究。KPFM 探針不僅能夠用于測量樣品的表面電勢，還可以通過在針尖和樣品間施加一定的偏壓，實現電荷的注入，或在樣品表面誘導極化。定向納米組裝即是先在KPFM 針尖和鐵電薄膜間施加一定的偏壓，在電場的作用下在鐵電薄膜的特定位置寫入特定極性的電荷，然后利用靜電力將帶有相反電荷的納米顆粒吸附到鐵電薄膜表面，從而實現在無掩膜條件下制造亞微米結構。在這個過程中，KPFM 也用于電荷寫入后通過測量表面電勢來檢查寫入的電荷圖案是否符合預期。P MESQUIDA 等[48]利用KPFM探針將電荷寫入類似聚四氟乙烯的氟碳聚合物薄膜，再利用電荷對相反帶電粒子的吸引，將金納米粒子從懸浮液沉積到薄膜表面，從而實現納米級別的金屬結構制造。之后又有許多研究者利用類似的方法在各種不同種類的駐極體表面進行了其他納米材料（如二氧化硅、金納米顆粒等）的定向組裝等[49-54]，定向組裝后的形貌圖案及表面電勢如圖7所示。然而，以上研究除碳納米管的定向組裝外，大多是對球形膠體納米粒子進行組裝，P MOUTET等[55]成功使用AFM 將具有高橫縱比的金納米線組裝到鐵電薄膜表面的指定位置，為具有高度各向異性的納米物體的定向組裝奠定了基礎。這些研究為更加精準的靜電復印以及微小集成器件的制造提供了有效思路，同時，將各向異性納米物體組裝在鐵電薄膜表面，也方便了對各向異性材料特性的進一步研究。在此基礎上，進一步實現二維材料、三維材料在鐵電薄膜表面的定向組裝，也是一個值得關注的方向。但受限于KPFM 操作的人工復雜性、工藝復雜性及其高昂成本，這種定向納米組裝的方法暫時無法應用于大批量的微小器件制造，因此尚未能廣泛應用于工程實際中。

圖7 45 nm SiO2和14 nm Au納米顆粒定向組裝后的形貌和表面電勢Fig.7 Surface morphology and potential of 45 nm SiO2 and 14 nm Au nanoparticles after directed assembly

2.3 MEMS開關層間介質電荷

微機電系統（MEMS）技術已經成為新一代高性能射頻組件的使能技術，如射頻微機電系統（RFMEMS）開關、可調電容器和電感。其中RFMEMS組件可以與單片微波集成電路完全集成，因此系統體積小、質量輕、功耗低且可以批量生產[56]。與現有的器件相比，射頻MEMS 器件具有獨特的射頻性能。然而，靜電MEMS 電容式開關的可靠性仍然不高，主要原因是開關的層間低頻氮化硅介質表面的電荷積聚會導致MEMS器件失效。KPFM 的尖端可以對介質表面進行充電，這一點恰好可以模擬MEMS 中電介質通過粗糙點接觸的充電現象，利用KPFM 對電介質層進行表面電勢測量，可以在微觀上對電介質電荷的積聚、衰減等特性進行進一步分析，為提高MEMS 開關的可靠性提供了基礎。

A BELARNI 等[57]使用KPFM 對低頻氮化硅注入電荷，并研究了表面電荷隨時間的衰減機制，并分析了注入偏壓對電荷充電和衰減的影響。U ZAGHLOUL 等[32]用KPFM 對射頻MEMS 開 關用氮化硅薄膜介質進行了一系列研究，包括用于沉積介質薄膜的襯底層、介質層厚度和沉積條件對薄膜性能的影響，并比較了KPFM 法與放電電流瞬變（DCT）法、熱刺激去極化電流（TSDC）法的異同。上述研究都是在空氣環境中進行的，實際上，環境氣體成分以及相對濕度對MEMS 的KPFM 測量結果都有一定的影響。因此，U ZAGHLOUL 等[58-61]又進一步改變了環境氣體、相對濕度和環境凈化水平3 個條件，研究了環境參數對靜電MEMS 器件充放電過程的影響。在上述研究中，作者將KPFM 法與傳統宏觀方法如DCT 法、TSDC 法等得到的電荷弛豫時間進行對比，并從原理上解釋了KPFM 法得到較大弛豫時間的原因，這為將KPFM 法測量結果與傳統測試方法進行結合以及相互印證、相互補充提供了思路。但利用KPFM 針尖注入電荷對氮化硅薄膜介質的研究僅能在一定程度上模擬MEMS 介質層的電荷行為，無法得到介質層實際應用時與器件其他部分接觸時充放電的實際現象，且由于KPFM 結構的限制，只能用于研究平行于介質層表面方向上的表面電荷行為，對于其厚度方向上的電荷運動及分布則無法測量，即KPFM 暫時無法進行三維空間的電荷行為分析。

3 基于KPFM的界面電荷行為分析

3.1 納米復合材料的界面電荷

納米復合材料是以樹脂、橡膠、陶瓷和金屬等基體為連續相，以納米尺寸的金屬、半導體、剛性粒子和其他無機粒子、纖維、納米碳管等改性為分散相，通過適當的制備方法將改性劑均勻性地分散于基體材料中，形成的含有納米尺寸材料的復合體系[62]。納米復合材料由于其優越的綜合性能，例如較高的絕緣強度[63]、優異的電極化性能[64-65]等，近年來在電介質學科的發展中備受關注。這些優越的介電性能往往與納米填料含量無關[66]，而與納米顆粒和基體材料界面處的電荷行為密切相關[67]，如界面處的電子陷阱增多、界面處的局域極化增強等。在以往的研究中，已經進行了許多對納米復合材料性能的宏觀表征，隨著微觀表征技術的發展，近年來也有不少研究者在納米分辨率的尺度對納米復合材料進行了研究，其中具有高分辨率的KPFM 有助于在納米尺度上研究納米顆粒的摻入在界面上對基質性能產生影響的微觀機制，從而為更好地理解不同類型的納米顆粒和表面修飾對納米復合材料中電荷分布的影響機制提供了可能性，為高性能納米復合電介質材料的研究提供了有力的表征工具。

利用KPFM 進行納米復合材料的研究大多采用外加偏壓進行電荷注入，然后測量納米顆粒及其周圍電勢隨時間的變化規律。R BORGANI 等[68]首先使用開環KPFM 觀察低密度聚乙烯（LDPE）基質中單個氧化鋁納米顆粒周圍電荷的縱向注入和提取，并提出了一個能帶模型來解釋實驗結果，發現納米顆粒在不同直流偏壓下的表面電勢變化與電荷納米顆粒周圍導帶附近局域能態（淺陷阱）有關。CHEN Y 等[34]對BaTiO3顆粒填充的PVDF 復合薄膜納米界面的動態電荷注入和耗散行為進行了KPFM研究，認為影響電荷注入的主要因素是空間電荷極化，而電荷耗散過程服從指數規律，由電荷隧道效應決定。ZHOU J 等[69]以環氧樹脂為基體，以具有核-殼結構的M-SiO2@Al2O3納米顆粒為填料制備了納米復合材料，并使用KPFM 觀察到了納米顆粒周圍的界面電荷積聚。PENG S 等[70]利用開環KPFM直接檢測了一種典型鐵電聚合物納米復合材料P(VDF-TrFE)/BT 在不同縱向直流偏壓下界面區域的局部極化特性，結果表明基質/顆粒界面區的電極化增強與界面區域的鏈遷移率高于聚合物基質中的鏈遷移率有關，圖8 展示了納米復合鐵電薄膜中顆粒附近的形貌和電勢圖像；此后，他們又采用橫向加壓對P(VDF-TrFE)/BT 進行了空間電荷的實時注入，消除了縱向加壓造成的感應極化影響，進一步研究了復合材料界面電荷的注入和耗散過程，得到空間電荷在納米粒子周圍會形成20～30 nm 的電荷暈層[33]。JIA B 等[71]用KPFM 研究了含Al2O3顆粒和氣泡的環氧基復合材料在橫向電壓下表面電勢和界面區域的動態電荷行為，發現Al2O3顆粒周圍更容易積聚負電荷并產生淺陷阱，而氣泡周圍更容易積聚正電荷并形成深陷阱。利用KPFM 進行納米復合電介質研究的主要目標是深入理解納米顆粒的摻入在界面上對材料性能產生影響的微觀機制，為設計高性能納米復合材料提供了一定的理論依據。然而，目前仍然缺乏關于如何將這些微觀界面處的電荷分布和擴散規律與宏觀性能進行直接關聯的研究，在將KPFM 測試所得到的電荷信息與宏觀測試的結果相互印證、相互聯系方面，仍需進行進一步探索。并且，利用KPFM 研究顆粒和基體界面時，要求顆粒在基體中呈半裸露狀態，這不僅對薄膜厚度提出了較高的要求，也意味著KPFM 并不能反映埋入基體的顆粒-基體界面的電荷行為，并且如前所述，KPFM 只能測量平行于樣品表面方向的電荷行為，對薄膜內部存在的顆粒-基體界面的電荷行為則難以表征。

圖8 納米復合鐵電薄膜中顆粒附近的3D形貌圖像和表面電勢圖像Fig.8 3D morphology image and surface potential image near particles in nanocomposite ferroelectric films

3.2 接觸帶電現象研究

接觸帶電現象也稱為摩擦生電，這種現象從被發現至今已有2000 余年[9]，并且在納米摩擦發電機[72-73]的研究中獲得了許多應用。雖然接觸帶電是一種基本的帶電效應，但現有的研究對接觸帶電現象產生的機制、電荷的性質等依然不夠清晰。KPFM 的發明為在納米尺度上探究接觸帶電產生的機制以及電荷性質的研究提供了有力的工具，有不少研究者利用這一工具對摩擦帶電現象進行了研究。

HAO S 等[74]利用AFM 針尖與SiOx襯底進行摩擦。然后立即用KPFM 測量摩擦電荷，分別研究了載荷力、摩擦速度、摩擦次數和相對濕度等因素對表面電荷的影響，并發現在針尖與相似性質的襯底之間施加不同的載荷力時，摩擦電荷的極性會發生反轉。H T BAYTEKIN 等[75]認為接觸帶電后的表面電荷并不是均勻分布的，而是有些區域帶正電，有些區域帶負電，就像是形成了表面電荷的“馬賽克”，并使用KPFM 對常見的聚合物表面進行了接觸電荷的成像以驗證這一猜想。以上研究針對摩擦帶電的電荷符號以及電荷行為進行了分析，但對其背后的機理仍需進行深入闡釋。LIN S 等[24-25]先后將KPFM 與熱離子發射、光電子發射相結合，研究了KPFM 針尖與電介質摩擦后，聚合物、陶瓷等電介質表面接觸電荷的性質，并用能帶理論解釋了接觸過程中的電荷轉移機制，為納米摩擦發電機的研究應用提供了理論支撐。L VIEIRA 等[76]將KPFM 與劃痕測試結合，研究了DLC-Ag 薄膜的表面電勢，結果表明銀納米粒子具有顯著增強非晶態涂層表面荷電的能力。YIN J 等[77]使用KPFM 研究了絕緣聚酯纖維在與導電纖維接觸后的表面接觸帶電，并在此基礎上分析了接觸帶電與電荷耗散的機理。但在利用KPFM 針尖對電介質表面進行劃痕摩擦測試時，隨著摩擦力增大、摩擦次數增加，不可避免地會造成針尖的磨損，這會對表面電勢的測量結果造成一定的誤差。

以上研究都是針對于固體-固體界面的接觸帶電研究，而事實上，接觸帶電也發生在固體-液體的接觸界面上，KPFM 能夠在液體環境中進行電介質表面的高分辨率形貌和表面電勢測量，為在液體環境中探究固體-液體界面接觸帶電的機理提供了有力工具。LIN S 等[26]將KPFM 與熱電子發射相結合，研究了液體與陶瓷電介質表面接觸雙電層的形成，判斷了接觸電荷的性質。H H SINGH 等[78]使用KPFM 研究了水滴落在ZnO-PVDF薄膜表面時的接觸帶電現象，并制作了液-固界面型摩擦電納米發電機，其性能參數與理論相一致。上述研究利用KPFM 技術，在研究各種界面的接觸帶電原理方面取得了一定的進展，為納米摩擦發電機、靜電危害清除等領域的發展做出了貢獻。但現有的研究結果以及理論仍不完整，例如固-液接觸界面雙電層形成理論依然存在許多爭議，固-液接觸后離子的轉移機制仍不明確，由于KPFM 具有在液體中進行電學測量的能力，在固液界面電荷研究方面具有獨特的優勢。但固-液接觸界面會形成雙電層，KPFM 進行表面電勢測量時，為避免范德華力的影響，探針距材料表面的距離往往大于雙電層寬度，即測得的電勢是在雙電層以外的電勢。由于雙電層屏蔽效應[26]，僅靠KPFM 在液體環境測得的表面電勢并不能反映固體表面真實所帶的電荷極性和電荷量，需要進一步結合能夠深入雙電層的力曲線測試以及移去液體后的表面電勢測量才能確定固液接觸帶電的性質。

4 結束語

KPFM 由于能夠同時對樣品的形貌和表面電勢進行高分辨率成像，在電介質的表面電荷、極化、界面電荷等研究方面獲得了廣泛應用。利用KPFM進行聚合物以及納米復合材料的表面及界面電荷行為研究，有利于在微納尺度理解納米顆粒的加入對復合材料電學性能的影響機制。利用KPFM 觀察MEMS 的氮化硅介質層電荷的注入和消散過程有利于理解介質充電與器件失效的聯系；同時，KPFM 還可以用于對鐵電材料極化、接觸帶電現象的研究，為納米定向組裝、納米打印、摩擦電納米發電機的應用提供了基礎。KPFM 逐漸成為在微納尺度范圍研究電介質電荷行為的重要工具，然而，其在電介質中的應用仍不夠廣泛和成熟，其測量結果和測試方法的可靠性存在爭議，主要體現在以下幾個方面：①KPFM 電勢測量結果受到樣品表面形貌的影響，過大的表面起伏會造成表面電勢的誤差；②測量環境中的氣體、濕度都會影響KPFM 測量結果的準確性，尤其是樣品表面吸附的水分、灰塵等雜質，對電勢測量結果影響很大；③KPFM 探針狀態對測量結果也有較大的影響，探針在使用過程中會產生磨損，磨損嚴重后需及時更換探針，無論是磨損還是更換探針，都會導致電勢測量數據產生偏差；④KPFM 的時間分辨率只有幾分鐘會相對于某些電荷行為而言，這個時間尺度過大掩蓋較快的電荷動態過程。

因此，在今后的研究中，可以重點關注以下4個方面：

（1）應著重分析影響KPFM 表面電勢測量準確性的影響因素，例如形貌、環境濕度和氣體氛圍、探針特性、探針帶電等對電勢測量結果的影響。改善實驗條件，如將測試儀器及樣品放置于手套箱中。提高制樣水平，并將這些因素與計算方法結合以提高對表面電勢數據的處理能力，得到更為準確的電荷分布規律。

（2）根據實驗條件選擇適宜的探針，根據樣品的特性選擇彈性系數、曲率半徑適宜的探針，所制樣品的表面應盡量平整，并在實驗過程中選擇適宜的參數以減小探針的磨損，在同一系列的實驗中盡量避免更換探針，來提高實驗數據的可信度。

（3）注重KPFM 測量與其他測試方法的結合，如與拉伸試驗、PFM 測量、變溫實驗、光電子發射實驗、宏觀熱刺激電流實驗、介電譜等相結合，擴展KPFM 在電介質電荷行為研究方面的應用范圍，加強與宏觀實驗結果的聯系。

（4）在提高KPFM 的時間分辨率方面進行研究，從提高控制回路的效率、開發針對性的實驗方法等角度入手，使KPFM 能夠用于分析電荷的快弛豫行為、光電子行為，這將有利于進一步理解電介質的電荷輸運機理。