研究进展：开尔文探针力显微镜KPFM | Nature Reviews Methods Primers

（引子：开尔文探针力显微镜Kelvin Probe Force Microscopy，KPFM，是通过探针与样品之间的接触电势差来获取样品的功函数和表电势分布图。还提供了表面形貌的信息，广泛应用于金属、半导体、生物等材料表面电势变化和纳米结构电子性能的研究。

主要机理是当导电探针在靠近样品表面时，由于功函数差异，会在二者之间自然形成接触电势差。当在探针与样品之间施加交流激励电压时，该电势差将引起静电力的变化。KPFM通过调节直流电压，使交流信号诱导的静电力最小，从而得到与局部表面电势相对应的补偿电压。该补偿电压即为样品相对于探针的表面电势）

开尔文探针力显微镜Kelvin Probe Force Microscopy，KPFM是一种起源于原子力显微镜的新兴表征技术，可提供材料系统的表面电位或功函数差异图，具有纳米级分辨率。KPFM是研究诸如偶极取向、界面电荷转移、电荷积累、能带弯曲和掺杂水平等电学现象的有用工具。

近日，美国理海大学（Lehigh University）Amirhossein Zahmatkeshsaredorahi，Xiaoji G. Xu等，在Nature Reviews Methods Primers上发文，概述了典型室温环境条件时，开尔文探针力显微镜KPFM测量，涵盖了基本原理、实验实施和广泛应用。

讨论了关键KPFM变体，包括振幅和频率调制、外差检测方案以及创新的开环和脉冲力技术，为优化信号采集和减少误差提供了实际指导。专门方法，如时间分辨KPFM和多模态KPFM，分别讨论了捕获动态电荷过程和化学信息能力。

还介绍了KPFM应用的最新进展，包括金属合金、软物质、铁电体、光伏和2D材料，展示了在研究领域的多功能性。通过解决当前限制和确定未来的机会，强调了KPFM纳米尺度电学现象理解方面的变革潜力。

环境条件的开尔文探针力显微镜。

图1:开尔文探针力显微镜原理。

图2:基于轻敲tapping-mode模式的开尔文探针力显微镜变体示意图。

图3:脉冲力开尔文探针力显微镜的操作机制。

图4:校准样品上，开尔文探针力显微镜测量。

图5:在凝聚态物质样品上，开尔文探针力显微镜的应用。

图6:在光伏、电池电极和生物大分子中，开尔文探针力显微镜的应用。

图7:寄生（杂散）电容和比例-积分-微分反馈误差示意图。

开尔文探针力显微镜KPFM已广泛应用于金属合金、二维材料（如石墨烯、MoS?）、钙钛矿太阳能电池、铁电材料、生物大分子等多种体系。它能够揭示材料表面的电荷分布、界面电荷转移、缺陷态、极化行为等关键电学特性，为理解材料性能、优化器件设计提供了不可或缺的表征手段。尤其是在光伏材料降解机制、电池界面电荷传输、生物分子静电特性等研究中，KPFM展现出不可替代的优势。

该技术的发展不仅推动了纳米电学表征方法的进步，也为多模态联用（如与红外光谱结合）和机器学习辅助的自动化测量奠定了基础，未来将在能源、电子、生物等多个前沿材料领域发挥更大作用。