静电力

静电力显微镜（英语：Electrostatic Force Microscopy，简称EFM）是一种利用测量探针与样品的静电相互作用，来表征样品表面静电势能，电荷分布以及电荷输运的扫描探针显微镜。静电力显微镜的工作原理与原子力显微镜类似。关键部分都是由悬臂梁组成的探针。但与原子力显微镜测量探针与样品的范德华力不同，静电力显微镜通过测量两者的库仑相互作用来实现样品成像。工作时，探针与样品之间被加上工作电压，悬臂梁探针受静电力的作用，在样品表面震荡，但不接触样品表面。范德华力随着原子间距离 r {displaystyle r} 成 1 / r 6 {displaystyle 1/r^{6}} 衰减，因而原子力显微镜必须保证探针与样品表面几乎接触。相比之下，随 1 / r 2 {displaystyle 1/r^{2}} 衰减的库仑力较为长程，通常探针与样品表面的工作距离为100纳米。假设样品与探针之间的电压为 Δ V {displaystyle Delta V} ，等效电容为 C {displaystyle C} ，那么系统的总能量为： U = − 1 2 C Δ V 2 {displaystyle U=-{frac {1}{2}}CDelta V^{2}} ；用 z {displaystyle z} 来代表样品表面的法线方向，则探针所受的静电力可以表示为：F e l e c t r o s t a t i c = 1 2 ∂ C ∂ z Δ V 2 {displaystyle F_{electrostatic}={frac {1}{2}}{frac {partial C}{partial z}}Delta V^{2}} 。与原子力显微镜相同，静电力显微镜也可以在液体环境中工作。在实际操作中，由于探针与样品之间既有范德华力，又有库仑力。即使选用较大的工作距离，有时仍不能完全忽略原子力存在。目前通常的解决方法是将探针与样品之间的直流电压改为交流信号。最后，在处理信号时，只处理相关频率的交流信号，就可以将范德华力的影响排除在外。