Electrostatic forces between a metallic tip and semiconductor surfaces

(Received 25 May 1994, accepted 25 July 1994)

Abstract
The Atomic Force Microscope used in resonant mode is a powerful tool to measure local surface properties : for example, the quantitative analysis of the electrical forces induced by the application of an electrical tension between a conductive microscope tip and a surface in front allows the determination of the tip/surface capacitance and of the local surface work fonction. However, this analysis needs a well adapted model for each type of surface. In this paper, we calculate, with a simple geometrical model, the tip-surface interaction for a metallic tip and a semiconducting surface and we describe its variation with the applied tension and the tip/surface distance. Our results show different kinds of behaviour that we are able to associate with the different semiconductor regimes (accumulation, depletion, inversion). Therefore, it is not possible to describe this tip-surface system as a passive capacitance.

Résumé
La Microscopie à Force Atomique en mode résonnant est un outil bien adapté à la mesure des caractéristiques locales des surfaces : par exemple, l'analyse quantitative des forces électriques créées par l'application d'une différence de potentiel entre la pointe conductrice du microscope et une surface en regard, permet de déterminer la capacité pointe/surface et le travail de sortie local de la surface. Toutefois cette analyse réclame un modèle adapté à chaque système. Cet article a pour but de calculer, dans un modèle géométrique simple, l'interaction pointe/surface dans le cas d'une pointe métallique et d'une surface semiconductrice et de décrire ses variations en fonction du potentiel appliqué et de la distance pointe-surface. Nos résultats montrent que ces forces présentent une grande richesse de comportements que nous avons associés aux différents régimes (accumulation, déplétion, inversion) du semiconducteur et que les modèles simples qui décrivent le système pointe/surface comme une capacité passive sont inappropriés.