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摘 要

本文了解目前常用的功函数测量方法之后，对比了光电子能谱法，决定尝试选用开尔文探针法测量功函数。

功函数一直是研究物体表面状况的一个重要参数，因而功函数的测量一直是人们重要的一个研究方向。本文使用的开尔文探针法是间接测量，它的原理为接触势差法，简单明了，利用它在实验室内可以建立开尔文功函数测量模型。这种间接测量的方法优点在于不破坏样品的表面状况，也不存在电子的发射和收集，避免了对实验数据造成的影响。

但此装置十分灵敏，对周围环境要求较高，因此具有一定难度，但本文中考虑到这一点的影响，将整个电路使用电池供电，放入微波炉内，屏蔽了周围低频信号的影响。而装置灵敏带来的好处是测量结果更加精准，测量范围更加广泛。

最后，通过实验测量数据计算误差，证实数据的可靠、精准，因而在实验室中建立的开尔文功函数测量模型是成功可行的。

关键词：功函数测量、接触势差法、开尔文探针

Abstract

In this paper, after understanding the commonly used methods of work function measurement, compared with photoelectron spectroscopy, we decided to try to use Kelvin probe method to measure work function.

Work function is always an important parameter to study the surface condition of an object, so the measurement of work function is always an important research direction. The Kelvin probe method used in this paper is indirect measurement. Its principle is contact potential difference method. It is simple and clear. It can be used to set up a Kelvin work function measurement model in the laboratory. The advantage of this indirect measurement method is that it does not destroy the surface condition of the sample, nor does it exist the emission and collection of electrons, thus avoiding the influence on the experimental data.

However, this device is very sensitive and requires a higher ambient environment, so it is difficult. Considering this effect, the whole circuit is powered by batteries and put into the microwave oven to shield the influence of low-frequency signals around. The advantage of the device sensitivity is that the measurement results are more accurate and the measurement range is wider.

Finally, the calculation error of the measured data proves that the data is reliable and accurate, so the Kelvin work function measurement model established in the laboratory is successful and feasible.

KEY WORDS: Work function measurement、Contact potential difference method、Kelvin probe

目 录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2功函数测量研究现状 2

第二章 功函数测量常用方法 3

2.1紫外光电子谱(UPS)测量功函数 3

2.2X射线光电子能谱（XPS）测量功函数 4

2.3一种功函数自动跟踪测量方法 4

第三章 开尔文探针力显微镜测量功函数 6

3.1开尔文探针力显微镜 6

3.2开尔文探针测量的发展史 7

3.3开尔文探针的测量原理 9

第四章 实验测量电路设计 12

4.1喇叭测试 12

4.2电路图的设计与焊接 16

4.3实验数据及分析 33

4.3.1仪器性能 33

4.3.2实验测量过程 39

4.3.3数据处理及分析 40

4.3.4实验结果再次验证 42

4.3.5结论 44

第五章 单片机系统 45

5.1引言 45

5.2模块设计 45

5.3程序框架 49

5.4数据采集示例 50

第六章 总结与展望 53

致 谢 54

参考文献： 55

绪论

1.1引言

功函数是从金属内的费米能级上拿一个电子到金属外的真空能级上所需要的最少的能量。一般情况下，功函数指金属的功函数，而非金属很少用功函数来表达，一般使用接触势。功函数的大小通常是确定的，与金属自由原子电离能有关，约为它的二分之一，合金的功函数一般比纯金属的小。金属的功函数越大，意味着将电子拿到外面的真空能级所需要的能量越多，金属束缚电子的能力越强，电子越难离开金属。功函数与金属的费米能级相关，但二者并不相等，因为现实情况的金属表面并不是电子的理想排布情况，因此功函数的值也与金属的表面状况有关。金属的费米能级对功函数存在一定的影响，但是因为诸多别的因素的影响，二者并不等同。

功函数是材料的一个重要物理参数，在许多领域都有广泛的应用，例如半导体器件、光电器件以及集成电路工艺等，能为科学研究提供十分多的信息。表面功函数可以体现出材料的性能，因为它能够反映出导体材料表面的能级排列，电子及空穴注入势垒的大小，一旦材料的结构组成和表面物理、化学性质发生变化，它就能敏感的检测出，是一个十分灵敏的量，影响着接触势垒。根据Schottky-Mott的理论，势垒高度等于从费米能级到界面导带底的距离，即金属功函数与半导体电子亲和势之差。

功函数能反应器件的性能同时还能影响器件的性能，这是因为功函数与载流子的注入有一定的关系。因此，想要有效优化器件的性能就可以提高载流子的平衡，即要想降低金属和半导体界面之间的肖特基势垒高度，使载流子能够更轻易的进行移动，提高效率。

    一般将功函数按照电子能量的来源，或者说是电子受激发的方式将功函数分为两大类。第一类金属电子发射是因为热能给予了足够的能量，这种称之为热功函数。而另一种金属电子发射是因为光子的能量，这种称之为光电功函数。

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