安东帕Tosca系列原子力显微镜（AFM）以其优异的探测性能和简捷高时效的操作流程，受到广大用户的青睐，成为显微结构和物性分析的强大工具。这里，我们将介绍安东帕Tosca原子力显微镜非接触电学模式，即静电力显微镜(EFM)和Kelvin 探针力显微镜(KPFM)，并展示其在石墨烯功能特性的纳米级表征中的应用。
图1 Two pass AFM扫描方式
安东帕Tosca原子力显微镜的EFM和KPFM模式采用的都是two pass这种非接触的电学表征技术，即将每一处扫描线的扫描过程分为形貌扫面线（first pass）和抬高扫描线 (second pass) 两步。在first pass时通过轻敲方式记录表面形貌轮廓；然后，探针被提升到离开表面预定的高度，并根据记录的表面线轮廓轨迹进行扫描，来测量抬起扫描过程中长程静电力的信号。这种two pass技术有效地减少了来自形貌变化对电学信号测量的干扰。
其中，静电力显微镜通过探测针尖和样品之间的静电力来描述局部电势和电荷分布。在抬起扫描过程中，探针和样品之间施加一个外部偏置电压，同时探针继续以轻敲模式的频率振荡。当针尖扫过表面时，它的振荡受到静电力的影响。测得的振动相位移动反映了样品表面有关电场变化的定性信息，并用于电学失效分析、探测陷阱电荷、分析电极化强度等。
图2 石墨烯薄片EFM模式测量结果。3D形貌图和EFM相位信号 (顶部)的叠加，其中红线表示提取的2D相位轮廓位置
图2是在抬高高度为15nm，直流偏压为8V时，EFM模式测量的结果。EFM相位信号与形貌的3D叠加如图2(上)所示。在硅-石墨烯过渡过程中可以观察到明显的台阶式相位移动，表明两种材料不同的电学特性。而在单个石墨烯薄片表面，几乎观察不到石墨烯层的不同高度的之间的相位移动。
上述的EFM模式主要用于表面电学分布的定性测量，而 KPFM模式则提供了接触电势差的定量成像:
这里e是基本电荷 ，Φtip和 Φs是探针和样品相应的的功函数。
当针尖功函数Φtip已知的情况下，样品的功函数Φs可以用上述公式计算。功函数影响许多表面现象(吸附、电荷转移、光电活性、催化活性等)， 是固体电子学中的一个重要参数。 因此，KPFM常被用于研究从生物传感器到太阳能电池等各种设备中的金属和半导体纳米结构。
KPFM信号同样是在在抬高扫描时获得的，这里KPFM的测量结果如下图3所示。
图3 石墨烯KPFM模式测量结果。3D形貌和接触电势分布的叠加(顶部)，其中红线表示提取的二维轮廓位置
通过对KPFM结果的分析，可以得出与EFM研究类似的结论。KPFM得到的数据证实了EFM方法的结果，并且增加了定量方面的内容。KPFM分辨了亚纳米尺度下的接触电势差，精确区分了0.35nm左右的石墨烯层。石墨烯薄片与硅片之间的电势差在30~60mV之间，且与石墨烯薄片厚度有关。较高的接触电势差对应较薄的石墨烯薄片。
