Skip to main content
SpringerLink
Log in

Measuring Atomic-Scale Variations of the Electrostatic Force

  • Chapter
  • First Online:
Kelvin Probe Force Microscopy

Part of the book series: Springer Series in Surface Sciences ((SSSUR,volume 48))

Abstract

Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) has proven its ability to map the surface electrostatic potential at nanometer scale with a resolution of a few  mV. Recently, even atomic-scale details in KPFM images have been reported; however, complete understanding of basic processes leading to such resolution is still not developed. Within this chapter experimental and theoretical works dealing with atomic and molecular resolution are reviewed and presented. Recent studies have shown that the atomic-scale contrast in KPFM can be attributed to short-range electrostatic forces. The electrostatic interaction is therefore strongly influenced by the geometrical and chemical composition of the tip-apex. Nevertheless, it will be shown, that site-dependent information of the electrostatic interaction can be drawn down to the atomic scale. In KPFM a detailed analysis of the cross talk between the height measurement and the detected electrostatic forces is unavoidable. Therefore, possible influences and error sources will also be introduced and discussed.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this chapter

Log in via an institution
Chapter
USD 29.95
Price excludes VAT (USA)
  • Available as PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
eBook
USD 84.99
Price excludes VAT (USA)
  • Available as PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
Softcover Book
USD 109.99
Price excludes VAT (USA)
  • Compact, lightweight edition
  • Dispatched in 3 to 5 business days
  • Free shipping worldwide - see info
Hardcover Book
USD 109.99
Price excludes VAT (USA)
  • Durable hardcover edition
  • Dispatched in 3 to 5 business days
  • Free shipping worldwide - see info

Tax calculation will be finalised at checkout

Purchases are for personal use only

Institutional subscriptions

References

  1. J. Weaver, D. Abraham, J. Vac. Sci. Technol. B 9(3), 1559 (1991)

    Article  CAS  Google Scholar 

  2. M. Nonnenmacher, M.P. O’Boyle, H.K. Wickramasinghe, Appl. Phys. Lett. 58(25), 2921 (1991)

    Article  Google Scholar 

  3. S. Sadewasser, K. Ishii, T. Glatzel, M. Lux-Steiner, in Polycrystalline Semiconductors VII, Proceedings, Solid State Phenomena, vol. 93, ed. by T. Fuyuki, T. Sameshima, H. Strunk, J. Werner (2003), Solid State Phenomena, vol. 93, pp. 319–324. 7th International Conference on Polycrystalline Semiconductors, Nara, Japan, Sep 10–13, 2002

    Google Scholar 

  4. S. Sadewasser, P. Carl, T. Glatzel, M. Lux-Steiner, Nanotechnology 15, S14 (2004)

    Article  CAS  Google Scholar 

  5. C. Sommerhalter, T. Matthes, T. Glatzel, A. Jäger-Waldau, M.C. Lux-Steiner, Appl. Phys. Lett. 75(2), 286 (1999)

    Article  CAS  Google Scholar 

  6. Y. Rosenwaks, R. Shikler, T. Glatzel, S. Sadewasser, Phys. Rev. B 70, 085320 (2004). DOI 10.1103/PhysRevB.70.085320

    Article  Google Scholar 

  7. H. Hoppe, T. Glatzel, M. Niggemann, A. Hinsch, M.C. Lux-Steiner, N.S. Sariciftci, Nano Lett. 5, 269 (2004). DOI 10.1021/nl048176c

    Article  Google Scholar 

  8. A. Sinensky, A. Belcher, Nat. Nanotechnol. 2, 653 (2007). DOI 10.1038/nnano.2007. 293

    Article  CAS  Google Scholar 

  9. T. Glatzel, D.F. Marrn, T. Schedel-Niedrig, S. Sadewasser, M.C. Lux-Steiner, Appl. Phys. Lett. 81(11), 2017 (2002). DOI http://dx.doi.org/10.1063/1.1506205

  10. S. Kitamura, M. Iwatsuki, Appl. Phys. Lett. 72(24), 3154 (1998). DOI 10.1063/1. 121577

    Article  CAS  Google Scholar 

  11. S. Kitamura, K. Suzuki, M. Iwatsuki, Appl. Surf. Sci. 140, 265 (1999)

    Article  CAS  Google Scholar 

  12. S. Kitamura, K. Suzuki, M. Iwatsuki, C.B. Mooney, Appl. Surf. Sci. 157, 222 (2000)

    Article  CAS  Google Scholar 

  13. K. Okamoto, K. Yoshimoto, Y. Sugawara, S. Morita, Appl. Surf. Sci. 210, 128 (2003)

    Article  CAS  Google Scholar 

  14. K. Okamoto, Y. Sugawara, S. Morita, Jpn. J. Appl. Phys. 42, 71637168 (2003)

    Google Scholar 

  15. A. Sasahara, C. Pang, H. Onishi, J. Phys. Chem. B 110, 13453 (2006)

    Article  CAS  Google Scholar 

  16. C. Leendertz, F. Streicher, M.C. Lux-Steiner, S. Sadewasser, Appl. Phys. Lett. 89, 113120 (2006)

    Article  Google Scholar 

  17. F. Bocquet, L. Nony, C. Loppacher, T. Glatzel, Phys. Rev. B 78, 035410 (2008)

    Article  Google Scholar 

  18. L. Nony, F. Bocquet, C. Loppacher, T. Glatzel, Nanotechnology 20(26), 264014 (2009)

    Article  Google Scholar 

  19. L. Nony, A.S. Foster, F. Bocquet, C. Loppacher, Phys. Rev. Lett. 103(3), 036802 (2009)

    Article  Google Scholar 

  20. L. Kelvin, Phil. Mag. 46, 82 (1898)

    Google Scholar 

  21. N.D. Lang, W. Kohn, Phys. Rev. B 3(4), 1215 (1971)

    Article  Google Scholar 

  22. N.D. Lang, A.R. Williams, Phys. Rev. B 25(4), 2940 (1982)

    Article  CAS  Google Scholar 

  23. S. Sadewasser, T. Glatzel, M. Rusu, A. Jäger-Waldau, M. Lux-Steiner, Appl. Phys. Lett. 80(16), 2979 (2002)

    Article  CAS  Google Scholar 

  24. J. Küppers, K. Wandelt, G. Ertl, Phys. Rev. Lett. 43(13), 928 (1979)

    Article  Google Scholar 

  25. K. Wandelt, J. Vac. Sci. Technol. 2(2), 802 (1984)

    Article  CAS  Google Scholar 

  26. K. Wandelt, Appl. Surf. Sci. 111, 1 (1997). Proceedings of the International Vacuum Electron Sources Conference 1996

    Google Scholar 

  27. J.F. Jia, K. Inoue, Y. Hasegawa, W.S. Yang, T. Sakurai, Phys. Rev. B 58(3), 1193 (1998).

    Article  CAS  Google Scholar 

  28. R. Wiesendanger, Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy, Methods and Applications (Cambridge, Cambridge University Press, 1994)

    Book  Google Scholar 

  29. G. Binnig, H. Rohrer, C. Gerber, E. Weibel, Appl. Phys. Lett. 40(2), 178 (1982)

    Article  CAS  Google Scholar 

  30. N.D. Lang, W. Kohn, Phys. Rev. B 8(12), 6010 (1973)

    Article  CAS  Google Scholar 

  31. J.G. Gay, J.R. Smith, F.J. Arlinghaus, Phys. Rev. Lett. 38(10), 561 (1977)

    Article  CAS  Google Scholar 

  32. N. Lang, S. Holloway, J. Nrskov, Surf. Sci. 150(1), 24 (1985)

    Article  CAS  Google Scholar 

  33. M. Thompson, H. Huntington, Surf. Sci. 116(3), 522 (1982)

    Article  CAS  Google Scholar 

  34. G. Binnig, C. Quate, C. Gerber, Phys. Rev. Lett. 56(9), 930 (1986)

    Article  Google Scholar 

  35. T. Shiota, K. Nakayama, Jpn. J. Appl. Phys. 40(9A/B), L986 (2001)

    Google Scholar 

  36. T. Glatzel, S. Sadewasser, R. Shikler, Y. Rosenwaks, M. Lux-Steiner, Mater. Sci. Eng. B 102, 138 (2003)

    Article  Google Scholar 

  37. J. Repp, G. Meyer, S. Stojkovic, A. Gourdon, C. Joachim, Phys. Rev. Lett. 94, 026803 (2005)

    Article  Google Scholar 

  38. L. Gross, F. Mohn, N. Moll, P. Liljeroth, G. Meyer, Science 325(5944), 1110 (2009)

    Article  CAS  Google Scholar 

  39. L. Nony, E. Gnecco, A. Baratoff, A. Alkauskas, R. Bennewitz, O. Pfeiffer, S. Maier, A. Wetzel, E. Meyer, C. Gerber, Nano Lett. 4(11), 2185 (2004)

    Article  CAS  Google Scholar 

  40. J. Mativetsky, S. Burke, S. Fostner, P. Grütter, Small 3(5), 818 (2007)

    Article  CAS  Google Scholar 

  41. S. Maier, L.A. Fendt, L. Zimmerli, T. Glatzel, O. Pfeiffer, F. Diederich, E. Meyer, Small 4, 1115 (2008)

    Article  CAS  Google Scholar 

  42. L. Zimmerli, S. Maier, T. Glatzel, E. Gnecco, O. Pfeiffer, F. Diederich, L. Fendt, E. Meyer, J. Phys.: Conf. Ser. 61(1), 1357 (2007)

    Google Scholar 

  43. S. Kawai, S. Maier, T. Glatzel, S. Koch, B. Such, L. Zimmerli, L.A. Fendt, F. Diederich, E. Meyer, Appl. Phys. Lett. 95(10), 103109 (2009)

    Article  Google Scholar 

  44. B. Such, T. Trevethan, T. Glatzel, S. Kawai, L. Zimmerli, E. Meyer, A.L. Shluger, C.H.M. Amijs, P. de Mendoza, A.M. Echavarren, ACS Nano 4(6), 3429 (2010)

    Article  CAS  Google Scholar 

  45. V. Palermo, S. Morelli, M. Palma, C. Simpson, F. Nolde, A. Herrmann, K. Möllen, P. Samori, ChemPhysChem 7, 847 (2006)

    Article  CAS  Google Scholar 

  46. T. Glatzel, H. Hoppe, N. Sariciftci, M. Lux-Steiner, M. Komiyama, Jpn. J. Appl. Phys. 44(7B), 5370 (2005)

    Google Scholar 

  47. S.A. Burke, J.M. LeDue, J.M. Topple, S. Fostner, P. Grütter, Adv. Mater. 21, 1 (2009)

    Google Scholar 

  48. J. Mativetsky, S. Burke, S. Fostner, P. Grütter, Nanotechnology 18(10), 105303 (6pp) (2007)

    Google Scholar 

  49. S.A. Burke, J.M. Mativetsky, S. Fostner, P. Grütter, Phys. Rev. B 76(3), 035419 (2007)

    Article  Google Scholar 

  50. T. Glatzel, M. Rusu, S. Sadewasser, M. Lux-Steiner, Nanotechnology 19, 145705 (2008)

    Article  Google Scholar 

  51. T. Glatzel, L. Zimmerli, S. Koch, S. Kawai, E. Meyer, Appl. Phys. Lett. 94(6), 063303 (2009)

    Article  Google Scholar 

  52. T. Glatzel, S. Sadewasser, M. Lux-Steiner, Appl. Surf. Sci. 210(84), 8489 (2003)

    Google Scholar 

  53. T. Glatzel, L. Zimmerli, E. Meyer, Isr. J. Chem. 48(2), 107 (2008)

    Article  CAS  Google Scholar 

  54. T. Ichii, T. Fukuma, T. Yoda, K. Kobayashi, K. Matsushige, H. Yamada, J. Appl. Phys. 107(2), 024315 (2010)

    Article  Google Scholar 

  55. O. de Frutos, T. Granier, B. Gomez-Lor, J. Jimenez-Barbero, A. Monge, E. Gutierrez-Puebla, A.M. Echavarren, Chem. Eur. J. 8(13), 2879 (2002)

    Article  Google Scholar 

  56. F. Giessibl, Science 267, 68 (1995)

    Article  CAS  Google Scholar 

  57. S. Kitamura, M. Iwatsuki, Jpn. J. Appl. Phys. 34(1B), L145 (1995)

    Google Scholar 

  58. Y. Sugimoto, P. Pou, M. Abe, P. Jelinek, R. Prez, S. Morita, O. Custance, Nature 446, 64 (2007)

    Article  CAS  Google Scholar 

  59. T. Shiota, K. Nakayama, Jpn. J. Appl. Phys. 41(10B), L1178 (2002)

    Google Scholar 

  60. S. Kawai, T. Glatzel, H.J. Hug, E. Meyer, Nanotechnology 21(24), 245704 (2010)

    Article  Google Scholar 

  61. T. Shiota, K. Nakayama, Appl. Surf. Sci. 202, 218 (2002)

    Article  CAS  Google Scholar 

  62. K. Okamoto, Y. Sugawara, S. Morita, Appl. Surf. Sci. 188, 381 (2002)

    Article  CAS  Google Scholar 

  63. T. Arai, M. Tomitori, Phys. Rev. Lett. 93(25), 256101 (2004)

    Article  CAS  Google Scholar 

  64. Y. Sugawara, M. Ohta, H. Ueyama, S. Morita, Jpn. J. Appl. Phys. 34(4A), L462 (1995)

    Google Scholar 

  65. H. Ueyama, M. Ohta, Y. Sugawara, S. Morita, Jpn. J. Appl. Phys. 34(8B), L1086 (1995)

    Google Scholar 

  66. T. Uchihashi, M. Ohta, Y. Sugawara, Y. Yanase, T. Sigematsu, M. Suzuki, S. Morita, J. Vac. Sci. Technol. B 15(4), 1543 (1997)

    Article  CAS  Google Scholar 

  67. Y. Sugawara, T. Uchihashi, M. Abe, S. Morita, Appl. Surf. Sci. 140, 371 (1999)

    Article  CAS  Google Scholar 

  68. C. Domke, P. Ebert, M. Heinrich, K. Urban, Phys. Rev. B 54(15), 10288 (1996)

    Article  CAS  Google Scholar 

  69. J. Kolodziej, B. Such, M. Szymonski, F. Krok, Phys. Rev. Lett. 90(22), 226101 (2003)

    Article  CAS  Google Scholar 

  70. F. Krok, K. Sajewicz, J. Konior, M. Goryl, P. Piatkowski, M. Szymonski, Phys. Rev. B 77, 235427 (2008)

    Article  Google Scholar 

  71. C. Kumpf, D. Smilgies, E. Landemark, M. Nielsen, R. Feidenhans’l, O. Bunk, J.H. Zeysing, Y. Su, R.L. Johnson, L. Cao, J. Zegenhagen, B.O. Fimland, L.D. Marks, D. Ellis, Phys. Rev. B 64(7), 075307 (2001)

    Google Scholar 

  72. H. Onishi, K. Fukui, Y. Iwasawa, Bull. Chem. Soc. Jpn. 68(9), 2447 (1995)

    Article  CAS  Google Scholar 

  73. K. Fukui, H. Onishi, Y. Iwasawa, Phys. Rev. Lett. 79(21), 4202 (1997)

    Article  CAS  Google Scholar 

  74. M. Ashino, T. Uchihashi, K. Yokoyama, Y. Sugawara, S. Morita, M. Ishikawa, Phys. Rev. B 61(20), 13955 (2000)

    Article  CAS  Google Scholar 

  75. J.V. Lauritsen, A.S. Foster, G.H. Olesen, M.C. Christensen, A. Kühnle, S. Helveg, J.R. Rostrup-Nielsen, B.S. Clausen, M. Reichling, F. Besenbacher, Nanotechnology 17(14), 3436 (2006)

    Article  CAS  Google Scholar 

  76. G.H. Enevoldsen, A.S. Foster, M.C. Christensen, J.V. Lauritsen, F. Besenbacher, Phys. Rev. B 76, 205415 (2007)

    Article  Google Scholar 

  77. G.H. Enevoldsen, H.P. Pinto, A.S. Foster, M.C.R. Jensen, A. Kühnle, M. Reichling, W.A. Hofer, J.V. Lauritsen, F. Besenbacher, Phys. Rev. B 78(4), 045416 (2008)

    Article  Google Scholar 

  78. G.H. Enevoldsen, H.P. Pinto, A.S. Foster, M.C.R. Jensen, W.A. Hofer, B. Hammer, J.V. Lauritsen, F. Besenbacher, Phys. Rev. Lett. 102(13), 136103 (2009).

    Article  Google Scholar 

  79. R. Bechstein, C. Gonzalez, J. Schütte, P. Jelinek, R. Perez, A. Kühnle, Nanotechnology 20(50), 505703 (2009)

    Article  Google Scholar 

  80. A. Sasahara, H. Uetsuka, H. Onishi, Jpn. J. Appl. Phys. 43, 4647 (2004)

    Article  CAS  Google Scholar 

  81. A. Sasahara, C.L. Pang, H. Onishi, J. Phys. Chem. B 110(35), 17584 (2006)

    Article  CAS  Google Scholar 

  82. J. Schütte, R. Bechstein, P. Rahe, M. Rohlfing, A. Kühnle, H. Langhals, Phys. Rev. B 79(4), 045428 (2009)

    Article  Google Scholar 

  83. P. Rahe, M. Nimmrich, A. Nefedov, M. Naboka, C. Woll, A. Kühnle, J. Phys. Chem. C 113(40), 17471 (2009)

    Article  CAS  Google Scholar 

  84. F. Loske, R. Bechstein, J. Schütte, F. Ostendorf, M. Reichling, A. Kühnle, Nanotechnology 20(6), 065606 (2009)

    Article  Google Scholar 

  85. G. Enevoldsen, T. Glatzel, M. Christensen, J. Lauritsen, F. Besenbacher, Phys. Rev. Lett. 100, 236104 (2008)

    Article  CAS  Google Scholar 

  86. J.E. Sader, S.P. Jarvis, Appl. Phys. Lett. 84(10), 1801 (2004)

    Article  CAS  Google Scholar 

  87. T. König, G.H. Simon, H.P. Rust, G. Pacchioni, M. Heyde, H.J. Freund, J. Am. Chem. Soc. 131, 17544 (2009)

    Article  Google Scholar 

  88. M. Heyde, M. Kulawik, H.P. Rust, H.J. Freund, Rev. Sci. Instrum. 75(7), 2446 (2004)

    Article  CAS  Google Scholar 

  89. F.J. Giessibl, Appl. Phys. Lett. 73(26), 3956 (1998)

    Article  CAS  Google Scholar 

  90. S. Hembacher, F.J. Giessibl, J. Mannhart, C.F. Quate, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100(22), 12539 (2003)

    Article  CAS  Google Scholar 

  91. L. Gross, F. Mohn, P. Liljeroth, J. Repp, F.J. Giessibl, G. Meyer, Science 324(5933), 1428 (2009)

    Article  CAS  Google Scholar 

  92. A. Bettac, J. Koeble, K. Winkler, B. Uder, M. Maier, A. Feltz, Nanotechnology 20(26), 264009 (2009)

    Article  Google Scholar 

  93. T. König, G.H. Simon, H.P. Rust, M. Heyde, J. Phys. Chem. C 113(26), 11301 (2009)

    Article  Google Scholar 

  94. L. Heinke, L. Lichtenstein, G.H. Simon, T. König, M. Heyde, H.J. Freund, ChemPhysChem 11, 2085 (2010)

    Article  CAS  Google Scholar 

  95. L. Heinke, L. Lichtenstein, G.H. Simon, T. König, M. Heyde, H.J. Freund, Phys. Rev. B 82(7), 075430 (2010)

    Article  Google Scholar 

  96. M. Guggisberg, M. Bammerlin, C. Loppacher, O. Pfeiffer, A. Abdurixit, V. Barwich, R. Bennewitz, A. Baratoff, E. Meyer, H.J. Güntherodt, Phys. Rev. B 61(16), 11151 (2000)

    Article  CAS  Google Scholar 

  97. S. Sadewasser, P. Jelinek, C.K. Fang, O. Custance, Y. Yamada, Y. Sugimoto, M. Abe, S. Morita, Phys. Rev. Lett. 103(26), 266103 (2009)

    Article  Google Scholar 

  98. M. Yasutake, Jpn. J. Appl. Phys. 34, 3403 (1995)

    Article  CAS  Google Scholar 

  99. C. Sommerhalter, T. Glatzel, T. Matthes, A. Jäger-Waldau, M. Lux-Steiner, Appl. Surf. Sci. 157, 263 (2000)

    Article  CAS  Google Scholar 

  100. S.A. Burke, J.M. LeDue, Y. Miyahara, J.M. Topple, S. Fostner, P. Grütter, Nanotechnology 20(26), 264012 (2009)

    Article  CAS  Google Scholar 

  101. S. Kawai, T. Glatzel, S. Koch, B. Such, A. Baratoff, E. Meyer, Phys. Rev. Lett. 103(22), 220801 (2009)

    Article  Google Scholar 

  102. S. Kawai, T. Glatzel, S. Koch, B. Such, A. Baratoff, E. Meyer, Phys. Rev. B 81, 085420 (2010)

    Article  Google Scholar 

  103. H. Diesinger, D. Deresmes, J.P. Nys, T. Melin, Ultramicroscopy 108, 773 (2008)

    Article  CAS  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

  1. Department of Physics, University of Basel, Klingelbergstr. 82, 4056, Basel, Switzerland

    Th. Glatzel

Authors
  1. Th. Glatzel
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to Th. Glatzel .

Editor information

Editors and Affiliations

  1. Laboratory, International Iberian Nanotechnology, Avda. Mestre José Veiga s/n, Braga, 4715-330, Portugal

    Sascha Sadewasser

  2. Inst. Physik, Universität Basel, Klingelbergstr. 82, Basel, 4056, Switzerland

    Thilo Glatzel

Rights and permissions

Reprints and permissions

Copyright information

© 2012 Springer-Verlag Berlin Heidelberg

About this chapter

Cite this chapter

Glatzel, T. (2012). Measuring Atomic-Scale Variations of the Electrostatic Force. In: Sadewasser, S., Glatzel, T. (eds) Kelvin Probe Force Microscopy. Springer Series in Surface Sciences, vol 48. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-22566-6_13

Download citation

Publish with us

Policies and ethics

Search

Navigation