本發(fā)明屬于但不限于表面分析，尤其涉及一種介電材料表面電荷密度和表面電勢測量方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、表面電荷密度是描述材料表面電荷分布的重要物理量，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、納米技術(shù)、電子設(shè)備和生物傳感器等領(lǐng)域。準(zhǔn)確測量表面電荷密度對于理解材料的電氣特性、表面相互作用以及生物分子在表面上的行為至關(guān)重要。例如，在電化學(xué)反應(yīng)中，電極表面上的電荷分布會顯著影響反應(yīng)速率和選擇性。在生物傳感器中，生物分子的結(jié)合能力往往與其表面電荷密度密切相關(guān)。因此，開發(fā)高效、準(zhǔn)確的表面電荷密度測量技術(shù)顯得尤為重要。目前，已經(jīng)開發(fā)了多種測量表面電荷密度的方法，包括：

2、開爾文探針顯微鏡(kelvinprobe?force?microscopy,kpfm)技術(shù)是將原子力顯微鏡與kelvin方法結(jié)合形成的。開爾文方法的基本原理(圖2所示)是用已知功函的探針測量樣品表面電勢。在探針與樣品接觸前兩者的真空能級相同，但費(fèi)米能級不同，所以兩者的功函也不同；接觸時，電子會從低功函處向高功函處遷移，從而拉平費(fèi)米能級，這時兩者的真空能級發(fā)生變化。真空能級產(chǎn)生的差值就是接觸電勢差(contactpotential?difference,cpd)vcpd＝(φtip－φsample)/e。若想獲得接觸電勢差的具體數(shù)值，可以在探針和樣品之間施加一個與接觸電勢差相等的反向電壓，則可使兩者的真空能級平齊；通過測量回路在探針和樣品之間施加的直流電壓，就可以得到一個明顯的特征來顯示兩者真空能級平齊時的狀態(tài)，從而獲得具體數(shù)值。探針的功函是已知的，這樣樣品的功函就可以被測量出來。

3、1、技術(shù)發(fā)展

4、1898年，開爾文探針原理首次由lordkelvin提出，主要用于測量材料之間的接觸電勢差，這一原理為后來的開爾文探針力顯微鏡奠定了基礎(chǔ)。在1991年首次被報道，研究者們將開爾文探針技術(shù)與原子力顯微鏡(atomic?force?microscopy,afm)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對表面電勢的納米級成像，并在樣品的表面電荷分布、電荷轉(zhuǎn)移、金屬材料功函數(shù)的測試等領(lǐng)域取得了大量成果。隨著納米技術(shù)和材料科學(xué)的不斷發(fā)展，kpfm技術(shù)也在不斷進(jìn)步。研究者們正在探索更高分辨率的測量方法和新的應(yīng)用領(lǐng)域，例如在量子計(jì)算和新型電子器件的開發(fā)中，kpfm都展現(xiàn)出了巨大的潛力。然而，它也存在一些缺點(diǎn)，影響其在應(yīng)用中的有效性和可靠性。

5、振動式電容靜電計(jì)測量電荷密度的工作原理主要是運(yùn)用補(bǔ)償法(compensationmethod)，如圖1所示。補(bǔ)償法是以一定頻率振動的駐極體或含有氣隙的電極振動使氣隙中形成相應(yīng)的交變電場，代替動態(tài)電容器法中測量感應(yīng)的交變電流。具體測量原理是在氣隙中附加一振幅可調(diào)制的反相交流電壓vs，用以補(bǔ)償駐極體與電極間的氣隙電場，直到氣隙電場e1為0(實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償)。則單面鍍電極的駐極體的等效面電荷密度為：

6、

7、這種方法是非接觸式測量。它的基本優(yōu)點(diǎn)是無需測量氣隙厚度即可確定電荷密度。

8、2、實(shí)際應(yīng)用

9、補(bǔ)償法是非接觸式方法，目前市場上常見由圖2所示的est102振動式電容靜電計(jì)。

10、圖2所示的振動式電容靜電計(jì)售價在人民幣22000元左右。

11、鑒于上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的急需解決的技術(shù)問題為：

12、(1)表面特性依賴性：開爾文探針顯微鏡的性能高度依賴于樣品的表面特性。不同的表面狀態(tài)可能導(dǎo)致測量結(jié)果的顯著變化，這使得在不同樣品之間進(jìn)行比較變得困難。此外，樣品的清潔度、粗糙度和形態(tài)都會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，這要求樣品在測量前必須經(jīng)過仔細(xì)準(zhǔn)備和處理。

13、(2)對環(huán)境的敏感性：開爾文探針顯微鏡對環(huán)境條件(如溫度、濕度和電磁干擾)非常敏感。環(huán)境的微小變化可能會影響測量結(jié)果，因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時必須確保控制這些變量。這種對環(huán)境的高度依賴可能限制了其在某些實(shí)際應(yīng)用中的適用性。

14、(3)振動式電容靜電計(jì)不適用于精度高的實(shí)驗(yàn)且價格高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種介電材料表面電荷密度和表面電勢測量方法及裝置。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種介電材料表面電荷密度和表面電勢測量方法，包括：

3、s1，外加電場使待測介電材料受到一個靜電力f，靜電力f通過樣品支架傳遞到復(fù)擺擺架上；

4、s2，復(fù)擺擺架在靜電力f的作用下轉(zhuǎn)動角度δθ；

5、s3，角度δθ的大小等于底部電容位移檢測系統(tǒng)中間極板的位移x；

6、s4，電容位移檢測系統(tǒng)的兩個電容的差分電容δc與轉(zhuǎn)動角度δθ成正比；

7、s5，經(jīng)過電容傳感電路的調(diào)制解調(diào)后δc轉(zhuǎn)變成電壓輸出信號vo。

8、進(jìn)一步，運(yùn)動方程為：

9、

10、其中i和θ分別是擺的轉(zhuǎn)動慣量和角位移；k為剛度；λ為阻尼系數(shù)；τ是施加的扭矩；f、l和ω分別為靜電力的振幅、臂長和頻率。鐘擺在靜電力f作用下以θ角度擺動，重力的切向分量mg?sinθ和靜電力f共同為鐘擺提供加速度。如果角度很小，重力的切向分量可以近似地寫成mgθ。

11、θ＝θ0e-βtcos(ωft+φf)+δθcos(ωt-φ)???????(2)

12、其中β＝λ/(2i)。第一項(xiàng)為瞬態(tài)解，其中頻率為ωf，初始相位為φf,初始振幅為θ0。第二項(xiàng)是頻率為ω，初始相位為φ，幅值為δθ的穩(wěn)態(tài)解，這里δθ可以表示為:

13、

14、其中ω0是鐘擺的固有頻率，表示為:

15、

16、進(jìn)一步，當(dāng)靜電力頻率ω→0時，也就是說靜電力為一恒力時，由(3)式可得：

17、

18、因此，復(fù)擺所受到的靜電力跟復(fù)擺轉(zhuǎn)動的角度成正比。

19、s為待測介電材料表面積，q總為其表面總的電荷，那么表面電荷密度表示為：

20、

21、已知外加在電極板ab的電勢差為u，電極板ab間距d，則介電材料所受靜電力f可寫為

22、

23、介電材料表面電荷密度σ可表示為

24、

25、s為待測介電材料的厚度，εr待測介電材料的相對介電常數(shù)。那么測介電材料的表面電荷密度與表面電勢之間的關(guān)系為：

26、

27、進(jìn)一步，由式(5)、(8)、(9)可知，待測介電材料的表面電荷密度、表面電勢、以及其所受到的靜電力都與復(fù)擺轉(zhuǎn)動的角度δθ相關(guān)。對復(fù)擺轉(zhuǎn)動的角度δθ的測量原理如下：

28、在擺架轉(zhuǎn)動的角度δθ很小時，δθ＝x，x為放置在擺架底部的電容檢測系統(tǒng)中間電容極板的位移。對中間極板位移將x的測量運(yùn)用的是變間距式-電容檢測方法。

29、當(dāng)靜電力為0時，中間極板與左外極板a和右外極板b的間距都是d。當(dāng)靜電力不為0時，中間極板產(chǎn)生位移x，中間極板與左外極板a的間距是d-x，中間極板與右外極板b的間距是d+x，中間極板與左極板a形成的電容c1增大，中間極板與右外極板b形成的電容c2減小，分別為：

30、

31、其中a，d，c0為檢驗(yàn)質(zhì)量平衡狀態(tài)下電容極板的正對時極板面積，間距與電容值，εair為空氣的介電常數(shù)。那么這兩個電容的差值可以表示為：

32、

33、當(dāng)x很小是，忽略掉高階項(xiàng)。(12)式變?yōu)椋?/p>

34、

35、檢測到的差分電容信號δc通過電容傳感電路調(diào)制解調(diào)后轉(zhuǎn)變成電壓輸出信號vo，vo與δc成線性關(guān)系：

36、vo＝bδc?(14)式(5)、(13)、(14)可得靜電力f與電容檢測電路輸出電壓vo的關(guān)系為：

37、

38、其中k0為比例系數(shù)。再由式(7)、(9)、(15)可得待測材料表面電荷密度σ和表面電勢vs與電容檢測電路輸出電壓的關(guān)系：

39、

40、

41、其中k1和k2為比例系數(shù)。

42、本發(fā)明的另一目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)所述介電材料表面電荷密度和表面電勢測量方法的介電材料表面電荷密度和表面電勢測量裝置，

43、包括擺架，配重，夾具，極板a，標(biāo)定支架，樣品，極板b，樣品支架，簧片，配重，外極板b，外極板a，電容位移傳感器。為了保證擺架的穩(wěn)定性和滿足安裝的需求，擺架采用了口字型框架設(shè)計(jì)，框架中間橫梁可用來安裝配重及其它零部件?；善ㄟ^上、下端夾具固定，上端夾具固定在容器內(nèi)的支架上，下端夾具與擺架固定連接。通過擺架上的配重調(diào)節(jié)擺的豎直姿態(tài)，配重調(diào)節(jié)擺的剛度。標(biāo)定支架安裝在擺架側(cè)邊，可以在標(biāo)定支架上放置已知質(zhì)量的質(zhì)量塊對擺的剛度進(jìn)行標(biāo)定。待測材料安裝在擺的中間樣品支架上，其受力垂直于機(jī)架。極板a和極板b連接外接電源的正負(fù)極，放在樣品支架的兩側(cè)，接通電源為待測樣品提供電場。鐘擺的角位移由安裝在鐘擺底部的電容位移傳感器用于監(jiān)測擺的位移。

44、進(jìn)一步，搭建裝置框架具體包括：

45、擺架1采用口字型框架設(shè)計(jì)，配重2安裝在框架中間用來調(diào)節(jié)擺架的穩(wěn)定性?？蚣軆蛇叺纳舷聤A具3固定簧片9，并通過配重10調(diào)節(jié)擺架的重心?；善?通過上、下端夾具3固定，上端夾具固定在容器內(nèi)的支架上，下端夾具與擺架固定連接。標(biāo)定支架5安裝在擺架底部側(cè)邊。電容位移檢測系統(tǒng)11-13安裝在擺架下方，用于監(jiān)測擺的位移。將樣品固定在樣品支架8的中間位置，電極板4、7獨(dú)立于擺架分布在樣品支架的左右兩邊，將組裝好的樣品支架固定在框架下方處。最后將電壓源的正負(fù)極連接在電極板，為待測樣品提供電場。搭建完的復(fù)擺裝置小心放置在不銹鋼容器內(nèi)來完成后續(xù)參數(shù)標(biāo)定。

46、進(jìn)一步，標(biāo)定步驟具體包括：

47、對靜電力f、表面電荷密度σ和表面電勢vs的精確測量的關(guān)鍵是得到比例系數(shù)k0。這一步通過對復(fù)擺裝置進(jìn)行標(biāo)定實(shí)現(xiàn)的。將復(fù)擺裝置搭建完成后，采用重力力矩法對復(fù)擺系統(tǒng)剛度進(jìn)行標(biāo)定，也就是測量k0。重力力矩法的基本思想是采用已知質(zhì)量的物體對復(fù)擺產(chǎn)生一個回復(fù)力矩，通過該回復(fù)力矩標(biāo)定系統(tǒng)剛度。擺架上放置一個質(zhì)量為m的標(biāo)準(zhǔn)物體，其到懸點(diǎn)的水平距離為l，則該物體對擺產(chǎn)生的回復(fù)力矩可以表示為mgl。通過在擺上加載和卸載標(biāo)準(zhǔn)物體，擺的位置會發(fā)生變化。根據(jù)當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭、標(biāo)準(zhǔn)物體的質(zhì)量m及其力臂l，結(jié)合復(fù)擺運(yùn)動角度的變化δθ，可得關(guān)系式：

48、mgl＝kδθ?????(18)

49、作用在待測樣品上的靜電力f的力矩為l，由(5)式可知

50、kδθ＝fl???????(19)

51、(19)式表明mgl和fl的作用效果相當(dāng)。通過加載不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)物體m，測量多組不同mgl導(dǎo)致的輸出vo，如圖7所示，可測量出mgl與vo的關(guān)系，也就是mgl＝k1vo。實(shí)際上也就是fl＝k1vo。由此我們通過標(biāo)定的方法用已知的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量m得到了標(biāo)定系數(shù)k1。由(15)式可知:

52、k0＝k1/l??????(20)

53、最后根據(jù)式(16)、(17)可得待測材料表面電荷密度σ和表面電勢vs。

54、進(jìn)一步，根據(jù)前述標(biāo)定步驟可得標(biāo)定系數(shù)k1。再根據(jù)式(17)可得靜電力f與輸出電壓vo之間的比例系數(shù)k0。將待測介電材料樣品放置在樣品支架上。將電壓源正負(fù)極接在電極板a4、b7上，關(guān)閉不銹鋼腔體艙門以防止空氣和電磁波的干擾，開啟電壓源，用示波器觀測電容檢測電路輸出電壓vo，最后根據(jù)式(16)、(17)、(20)可得待測材料表面電荷密度σ和表面電勢vs。

55、本發(fā)明的另一目的在于提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，計(jì)算機(jī)設(shè)備包括存儲器和處理器，存儲器存儲有計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時，使得處理器執(zhí)行所述的介電材料表面電荷密度和表面電勢測量方法的步驟。

56、本發(fā)明的另一目的在于提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，存儲有計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時，使得處理器執(zhí)行所述的介電材料表面電荷密度和表面電勢測量方法的步驟。

57、結(jié)合上述的技術(shù)方案和解決的技術(shù)問題，本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案所具備的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：

58、第一、本發(fā)明將待測樣品放置在復(fù)擺的樣品架上，待測樣品同時處在外加電場中，通過測量復(fù)擺的轉(zhuǎn)動的角度來測量樣品表面電荷密度/表面電勢大小。樣品表面電荷密度/表面電勢大小，則復(fù)擺所受的靜電力也越大，則復(fù)擺轉(zhuǎn)動的角度越大。復(fù)擺轉(zhuǎn)動的角度通過電容檢測電路轉(zhuǎn)換成電路輸出電壓，電容檢測電路的輸出電壓與復(fù)擺轉(zhuǎn)動的角度成正比，進(jìn)而與復(fù)擺所受的靜電力成正比，進(jìn)而與樣品表面電荷密度/表面電勢大小成正比。復(fù)擺支架的剛度主要由重力提供，可以通過改變質(zhì)心來調(diào)節(jié)。利用重力直接校準(zhǔn)支架，消除了其他力耦合的干擾。當(dāng)擺架系統(tǒng)剛度設(shè)置為1nm/rad左右，靜電力測量范圍達(dá)到1000μn，測量精度達(dá)到0.09μn，對應(yīng)介電材料的表面電勢的測量范圍0-10000v，測量精度達(dá)到0.09v。所以本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：(1)有超寬的表面電勢的測量范圍，(2)在寬的測量范圍下，有超高的表面電勢的測量精度。

59、第二，本發(fā)明的技術(shù)方案解決了人們一直渴望解決、但始終未能獲得成功的技術(shù)難題：在表面測量技術(shù)方面，目前的測量技術(shù)主要是開爾文探針技術(shù)以及使用振動式電容靜電計(jì)。二者存在一些缺點(diǎn)影響其在應(yīng)用中的有效性和可靠性。本發(fā)明將待測樣品放置在復(fù)擺的樣品架上，待測樣品同時處在外加電場中，通過測量復(fù)擺的轉(zhuǎn)動的角度來測量樣品表面電荷密度/表面電勢大小。樣品表面電荷密度/表面電勢大小，則復(fù)擺所受的靜電力也越大，則復(fù)擺轉(zhuǎn)動的角度越大。復(fù)擺轉(zhuǎn)動的角度通過電容檢測電路轉(zhuǎn)換成電路輸出電壓，電容檢測電路的輸出電壓與復(fù)擺轉(zhuǎn)動的角度成正比，進(jìn)而與復(fù)擺所受的靜電力成正比，進(jìn)而與樣品表面電荷密度/表面電勢大小成正比。復(fù)擺支架的剛度主要由重力提供，可以通過改變質(zhì)心來調(diào)節(jié)。利用重力直接校準(zhǔn)支架，消除了其他力耦合的干擾。當(dāng)擺架系統(tǒng)剛度設(shè)置為1nm/rad左右，靜電力測量范圍達(dá)到1000μn，測量精度達(dá)到0.09μn，對應(yīng)介電材料的表面電勢的測量范圍0-10000v，測量精度達(dá)到0.09v。所以本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：(1)有超寬的表面電勢的測量范圍，(2)在寬的測量范圍下，有超高的表面電勢的測量精度。

60、第三，本發(fā)明的技術(shù)方案在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中解決了現(xiàn)有技術(shù)中介電材料表面電荷密度和表面電勢測量不精確、不穩(wěn)定以及響應(yīng)速度慢等問題。現(xiàn)有技術(shù)往往依賴于傳統(tǒng)的電荷測量方法，可能受到環(huán)境噪聲和其他干擾的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果不夠精確。而本發(fā)明通過復(fù)擺擺架和差分電容位移檢測系統(tǒng)，能夠在更高的分辨率下測量電荷密度和表面電勢，避免了傳統(tǒng)方法中因靜電力微弱導(dǎo)致的信號不穩(wěn)定問題。

61、本發(fā)明的顯著技術(shù)進(jìn)步在于：首先，其基于復(fù)擺擺架與靜電力的聯(lián)動設(shè)計(jì)，能有效放大待測介電材料在電場下的細(xì)微電荷反應(yīng)，使得測量靈敏度顯著提高。其次，利用差分電容位移檢測系統(tǒng)，對復(fù)擺轉(zhuǎn)動角度的微小變化進(jìn)行高精度檢測，有效減少了環(huán)境因素的干擾，從而獲得更為精確的測量結(jié)果。此外，電容傳感電路的調(diào)制解調(diào)技術(shù)將差分電容信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的電壓輸出信號，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和信號穩(wěn)定性。

62、因此，本發(fā)明的技術(shù)方案在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中具備較強(qiáng)的實(shí)用性和先進(jìn)性，為高精度測量介電材料表面電特性提供了一種創(chuàng)新的解決方案，推動了材料科學(xué)、電子工程及相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。