前言

近年来，以扫描探针为代表的超高分辨量子精密测量技术取得了长足进展，是人类认识微观、纳观，甚至原子的“眼睛”，在三维形貌、电荷量、自旋等物理量测量方面，已经达到原子分辨率（小于10-10m）。盖尔德·宾尼(Gerd Bining)和海因里希·罗雷尔(Heinrich Rohrer) 的扫描隧道显微镜（STM），以及赫尔（Stefan Hell）、贝兹（Eric Betzig）等的超分辨荧光显微技术由于实现了对半导体、有机物的原子（纳米）分辨率成像而获得了诺贝尔物理学（化学）奖。因此，谁掌握了精密测量技术，谁就拥有了通向微观世界的钥匙。

高分辨开尔文探针力显微镜（KPFM）是基于原子力显微镜（AFM）的扫描探针技术（SPM），通过测量和改变探针和样品间的局域接触势能差（LCPD），实现了纳米甚至原子尺度的量子材料精确设计和控制，成为 “由下而上”制备原子级传感器、原子/分子开关、量子存储器等量子器件最关键的技术之一。

KPFM通过测量金属AFM探针和样品间LCPD进行高分辨功函数或材料表面成像。自从1991年由非内马赫（Nonnenmacher）等提出以来，KPFM已经广泛应用于金属纳米材料量子尺寸效应的电学特性表征、半导体纳米材料和表面电学特性分析与表征，以及半导体电子器件高分辨表面势能测量与表征。 在材料性能的极限测量与显微方面，目前，已实现半导体、绝缘体及导体材料的表面电荷分布、局域接触势能差、电荷间传输、三维静电力与力谱测量等纳米级或原子级电荷分辨率测量； 实现了带电粒子的高精度识别与控制（单电荷），为相关物理现象解析、原子尺度电荷操控提供了新的方法和技术。在纳机电系统测量与构建方面，利用KPFM的电荷操控能力可以实现纳机电系统的制备，完成分子/原子级的电子器件功能化设计。KPFM可以为原子级机电系统（单分子开关）验证及未来的实用化打下基础。在电子器件表征与测量方面，利用KPFM还可以进行绝缘材料（例如电解液氧化聚乙烯，电池或者湿度传感器皿）内部空间电荷的形成、三维测量及移动，这为微纳米能量存储器件开发、纳米级电荷光刻技术等纳电子器件研发提供了新的工具和方法。

作者自2008年踏入扫描探针显微镜领域以来，已过去了十几年，期间师从日本大阪大学菅原康弘教授和李艳君教授，主要从事NCAFM及KPFM新方法探索与材料测量，在原子分子操纵、表面电荷传输、功函数测量方面进行了一系列研究。近几年，作者充分感受到了日本式严谨、踏实的科研精神； 特别是近年来在中日双方合作项目支持下，我们在AFM、KPFM领域一直保持着密切的合作和联系； 同时，作者也认识到在该领域中国与日本及其他发达国家还有不小的差距，急需在方法、技术及仪器等方面全方位追赶。

在本书撰写过程中，作者有幸得到了多位导师、友人的帮助和支持。首先对菅原康弘教授和李艳君教授多年来的培养及共同合作研究表示深深地感谢，没有他们的帮助，本书不可能完成。感谢课题组张文栋教授、刘俊教授、熊继军教授及薛晨阳教授，没有他们多年来的关心和支持，中北大学在AFM、KPFM方向的确立和发展是不可想象的。特别感谢刘俊教授多年来的栽培和指导，刘教授高瞻远瞩，能够把复杂问题简单化，加快了AFM在精密测量领域的应用和发展。

最后还要感谢家人多年来的支持和鼓励。感谢我的妻子乌日嘎女士，感谢她多年来对全家的付出和牺牲； 感谢儿子的到来，让我体会到作为一个父亲的责任和担当，也让我有幸和他一起成长； 感谢我的母亲和离世多年的父亲，他们苦难和坚韧的人生是支撑我走下去的力量源泉。