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開爾文探針提供了一種無損、無觸點的方法來測量各種材料組合的功函數(shù)差。這些探針可具有多種設(shè)計，包括不同的頂端形狀、長度和半徑。為了確定最佳設(shè)計，同時最大限度地減少測試。
開爾文探針可以確定材料的接觸電勢差(或功函數(shù)差)。這種探針基于時變電容器，使用兩個電極工作：
由功函數(shù)已知的材料制成的可移動探針。
由功函數(shù)未知的材料制成的固定樣品。
當(dāng)這些電極電連接時，費米能級達到平衡。功函數(shù)較低的材料中的電子流入功函數(shù)較高的材料中，這種流動產(chǎn)生接觸電勢差，為電容器充電。此外，可移動電極中的振動改變存儲在電容器內(nèi)部的電能，并產(chǎn)生流動的電流。通過測量這個電流，我們可以確定功函數(shù)差。也可以通過施加外部偏置電壓來建立補償操作并使電流為零。這種方法導(dǎo)致偏置電壓等于兩種電極材料之間的功函數(shù)差。
開爾文探針不僅具有多種應(yīng)用，還具有多種設(shè)計。比如說，可移動電極可設(shè)計為多種形狀，例如圓形板和窄頂端。圓形板設(shè)計使得探針能夠形成平行板電容器。這種電容器產(chǎn)生很大的電容變化，無需復(fù)雜的電補償方案即可測量的電流。當(dāng)探針頂端較窄時，它可以掃描一個區(qū)域并產(chǎn)生橫向分辨率。此選項需要電補償電路，這是因為電容變化和產(chǎn)生的電流很小。
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