表面功函数测试仪

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彩融 SunMonde（上海）特种光源

 

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一．简介

表面功函数测试仪由上海彩融与上海大学电子发光与光电研究室设计开发，用于测量ITO玻璃等物料的表面功函数。

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特点：

一、体积小，重量轻；

二、操作便利，准确度高；

三、应用广泛。适合测量ITO玻璃等导电材料、其他半导体材料的表面功函数，特别适合研究表面状态的不同而引起的表面功函数变化；

    四、性价比很高，故障率低，适宜科研院所、企业实验室采用。

 

二．表面功函数测试仪的基本原理

基于金属连接时会形成接触电位差，其接触电位差的值等于他们的功函数之差除以电子电荷，即

          V₁₂=（φ₁-φ₂）/e      

      V₁₂为导电材料1和导电材料2连接时的接触电位差

      φ₁ 为导电材料1的功函数     φ₂是导电材料2的功函数

当这两种材料形成一个电容时，即相当于在电容两端加上一个V₁₂的电压。因此，当用一振荡器来改变电容时就会产生交流电流。当在这两导体中间加上一个方向相反的平衡电位—V₁₂时，则回路中的总电位为零，这时不会产生电流。

因此，可以用测量其交变电流为零时的—V₁₂来测定材料1和2 之间的功函数之差。只要其中材料1的功函数为已知，则可通过数据比照测定材料2的功函数。

 

三．表面功函数测试仪主要构成

表面功函数测试仪由样品测试台、功函数测试仪主机、示波器三部分组成。

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图二。 表面功函数测试仪基本结构图

 

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图三。表面功函数测试仪主要组成框架图

1． 样品测试台

由振荡器、参考电极、样品放置架、信号输入端口、信号输出端口、补偿电压输入端口组成。样品直径> 25mm。

2． 主机

1）交流电源系统

本系统有采用正弦波讯号发生器与功率放大器两部分组成。交流电源的频率可调范围在50Hz～5kHz，内部调整为200Hz左右，输出功率可调在0～0.8W。

功率放大器参数：

频率响应：    20 Hz～20 kHz

增益：        50（34 dB）

最大输出功率：约 1 W

总谐波失真：  <0.4% ，达0.5 W

并提供示波器的参考信号

2）补偿电压系统

本系统可以由直流±12电压，得到高稳定的＋5V～－5V之

间的可调电压。此电压作为样品测试的补偿电压。

3）电压显示

主要显示补偿电压，可显示到0.01V。

4）信号放大系统

把测试信号放大后送到示波器。

3、技术参数

工作电压：220V（50Hz）

最大功率：50W

外观尺寸（L×W×H）：190×240×120

大约重量（Kg）：3

 

四．使用说明

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1 拉杆 2 提杆压板 3压片 4 样品 5 定位螺丝 6测试信号输出7补偿电压输入8振荡信号输入  9补偿电压调节 10 振荡功率调节  11 补偿电压输出 12 振荡功率输出  13 参考讯号输出  14 信号输入  15 信号放大输出  16电源开关 17补偿电压显示

 图四。 表面功函数测试仪的样品测试台和主机箱外观图

 

1. 安装连接

方法一。

将主机箱面板上的补偿电压输出端口（11）与测试台的补偿电压输入端口（7）连接，振荡信号输出端口（12）与测试台上的振荡信号输入端口（8）连接，测试台上的信号输出端口（6）与主机箱的信号输入端口（14）连接，主机箱上的 参考信号端口（13）和信号放大输出端口（15）分别与示波器的两信号入口（即CH1、CH2）相连。并将电源线与机箱后面板的电源口连接。

方法二。

由于我们提供的示波器灵敏度比较高，达到1mv/div，所以即使不用主机箱提供的放大器，也能达到测量要求，而且有时更直观。

其连接的方法如下：

将主机箱面板上的补偿电压输出端口（11）与测试台的补偿电压输入端口（7）连接，振荡信号输出端口（12）与测试台上的振荡信号输入端口（8）连接，测试台上的信号输出端口（6）直接连到示波器的第二通道（CH2），主机箱上的 参考信号端口（13）连到示波器的第一通道（CH1）。

 

2 仪器调试

1)样品测试台的参考电极的调整。将固定样品的拉杆拉起，然后调节平台上的三个定位螺丝（4），使参考电极的接近测试台表面，并与之平行。然后放上一片平整的玻璃压下玻璃后再调节定位螺丝使参考电极靠近玻璃片下表面，但又不接触到玻璃表面。

2)在仪器安装完成之后，首先打开示波器，将示波器的接参考信号的端口相连的CH1的放大旋钮打到0.2v档。与信号放大输出端口相连的CH2的放大旋钮打到0.1V档。调节输出功率至最小（左旋）。

2)合上机箱电源开关，旋动补偿电压调节旋钮，使补偿电压显示到接近＋5V或者－5V.

3)调整主机箱功率旋钮（9），并检查示波器是否有参考信号输入，并使输出电压在2V左右。并检查样品测试台参考电极是否有震动。

4）把透明玻璃换成透明导电玻璃，放下拉杆（1），合上测试仪主机电源，使参考电极处于震动状态，再调整三个定位螺丝（4）调整参考电极与样品（2）的距离，如果接触到压片会听到异样的声音发出同时在示波器上能看到导通脉冲，说明距离调整太近已接触造成短路，再反向调节使达到既接近有不接触为最佳状态。

 

3 样品的测试

    1）将待测样品放置到样品支架上，将样品所要测量的表面对准参考电极（即：待测表面朝下）。用拉杆上的压片将样品压住。

2）先把功率输出调到最小，然后打开电源开关，然后逐渐增加输出功率，观察示波器上的参考电压使输出电压在1.5～2V左右，并观察在平衡电压信号输出是否出现信号电压波形。此时调整三个定位螺丝（4）使参考电极与样品电极尽可能的平行和接近但不接触，如出现接触则在示波器的信号中会出现尖峰或者不稳的现象，以达到输出波形最大但又不出现尖峰。

3）调节补偿电压调节旋钮（8），同时观察示波器上信号波形及相位的变化，当信号的输入为零即输出波形为直线时即达到平衡，此时的补偿电压的读数即为样品表面与参考电极的电压差V12，高于与低于此电压时信号的相位差为180⁰。而它们之间的功函数差即为（φ₁-φ₂）= e V₁₂ 单位为电子伏特。

 

五. 仪器清单

1．主机箱        一台

2．样品测试台    一台

3． 双通道示波器  一台

4．电源线        一根

5.  电压连线      一根

6．振荡信号连线  一根

7．双同轴插头线  三根

 

六．功函数仪应用实例

功函数的定义，是把一个电子从材料内部移至材料外表面所需要的最少的能量。

此功函数很容易受到其表面性质的影响，如气体和水气的吸附，有机或无机物的污染，表面化学组分的变化以及特殊涂层的影响等。

因此它可以用来判断表面的清洁度、表面质量的好坏以及表面污染的情况。

尤其是表面经特殊处理前后的功函数变化，本仪器的测量数据，对处理的效果有很直观的判断依据。

如在有机电致发光的制备中，ITO导电玻璃的清洁和功函数的大小，对器件的性能影响很大，当导电玻璃经紫外臭氧或等离子体处理（请见http://www.sunmonde.com.cn/）以后，由于表面吸附的有机物被去除掉，其功函数会有明显的增加，从而可以判断表面清洁的程度和合理处理的条件。

此外，在各种金属电极的镀膜条件对功函数的影响，对器件的性能也有很大作用。

图五（三幅图）是实测示例。

图六是用紫外光处理透明导电玻璃（ITO）衬底的时间与功函数变化的关系，供您参考。

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图五（三幅图）实测示例，上图补偿电压偏高，下图偏低，中间图为测量值

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图六  ITO玻璃的相对功函数和UV处理时间的关系

（用上海彩融UV-O3Cleaner-40W表面清洁仪试验）

  

七．附录：金属元素的功函数表

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相关链接：

1、表面功函数测试数据  http://blog.sina.com.cn/s/blog_533d434a0101foox.html

2、表面功函数仪器功能问答 http://blog.sina.com.cn/s/blog_533d434a0100olpx.html