開爾文探針力顯微鏡 (KPFM)，也稱為表面電位顯微鏡，是原子力顯微鏡 (AFM) 的一種非接觸式變體。 通過在 x、y 平面中進行光柵掃描，可以局部映射樣本的功函數以與樣本特征相關聯。 當放大倍數很小或沒有放大時，這種方法可以描述為使用掃描開爾文探頭 (SKP)。 這些技術主要用于測量腐蝕和涂層。

使用 KPFM，可以在原子或分子尺度上觀察表面的功函數。 功函數與許多表面現象有關，包括催化活性、表面重建、半導體的摻雜和能帶彎曲、電介質中的電荷俘獲和腐蝕。 KPFM 生成的功函數圖提供了有關固體表面局部結構的組成和電子狀態的信息。

SKP 技術基于開爾文勛爵于 1898 年進行的平行板電容器實驗。在 1930 年代，威廉齊斯曼在開爾文勛爵的實驗基礎上開發了一種測量不同金屬接觸電勢差的技術。

在 SKP 中，探針和樣品相互平行并電連接以形成平行板電容器。 探針被選擇為與樣品不同的材料，因此每個組件最初都有不同的費米能級。 當在探針和樣品之間建立電連接時，電子流可以在探針和樣品之間沿較低費米能級到較高費米能級的方向發生。 這種電子流導致探針和樣品費米能級的平衡。 此外，探針和樣品上會產生表面電荷，相關電勢差稱為接觸電勢 (Vc)。 在 SKP 中，探頭沿垂直于樣品平面的方向振動。 這種振動會導致探頭與樣品之間的距離發生變化，進而導致電流以交流正弦波的形式流動。 通過使用鎖定放大器將產生的交流正弦波解調為直流信號。 通常，用戶必須選擇鎖定放大器使用的正確參考相位值。 一旦確定了直流電勢，就可以施加稱為背襯電勢 (Vb) 的外部電勢，以使探針和樣品之間的電荷為零。 當電荷為零時，樣品的費米能級返回到其原始位置。 這意味著 Vb 等于 -Vc，這是 SKP 探頭和被測樣品之間的功函數差。

AFM 中的懸臂是一個參考電極，它與表面形成一個電容器，它以恒定的間隔在其上進行橫向掃描。 盡管在該頻率下施加了交流 (AC) 電壓，但懸臂并未像正常 AFM 那樣以其機械共振頻率 ω0 被壓電驅動。

當尖端和表面之間存在直流 (DC) 電勢差時，AC+DC 電壓偏移將導致懸臂振動。

加上 DC 的條款。 只有與 VDC·VAC 乘積成正比的交叉項處于諧振頻率 ω0。 使用通常的掃描探針顯微鏡方法（通常涉及二極管激光器和四象限檢測器）檢測懸臂產生的振動。 零電路用于將尖端的直流電勢驅動到最小化振動的值。 因此，此歸零 DC 電勢與橫向位置坐標的映射會生成表面功函數的圖像。

一種相關技術，靜電力顯微鏡 (EFM)，直接測量由表面發出的電場在帶電尖端上產生的力。 EFM 的工作原理與磁力顯微鏡非常相似，因為懸臂振蕩的頻移或振幅變化用于檢測電場。 然而，EFM 比 KPFM 對地形偽影敏感得多。 EFM 和 KPFM 都需要使用導電懸臂，通常是金屬涂層硅或氮化硅。 另一種基于 AFM 的靜電表面電位成像技術是掃描量子點顯微鏡，它根據表面電位對尖端連接的量子點進行門控的能力來量化表面電位。

SKP 測量的質量受多種因素影響。 這包括 SKP 探頭的直徑，探頭到樣品盤。