Modeling of NC-AFM experiments by the utilization of molecular dynamics and the harmonic oscillator model

Atomik kuvvet mikroskopisi (AKM), nanoteknoloji ve nanobilimde yaygın olarak kullanılan bir cihazdır. Temassız AKM teknikleri yardımı ile moleküllerin, atomların ve hatta bağ yapıları ile uç-numune etkileşimlerinin görüntülerini pm ve pN mertebesinde çözünürlükle elde etmek mümkündür. Yüksek çözünürlüklü temassız AKM ile görüntüleme deneyleri göreceli olarak yeni olduklarından, ilgili fiziksel mekanizmalar tamamıyla aydınlanabilmiş değildir ve yorumlamalarda farklılıklar görülebilmektedir. Bu sebeple, yapılan deneylerin ve AKM görüntülerindeki yapay etkilerin ardında yatan fiziksel olguları daha iyi anlamak amacıyla, deneylere ek olarak teorik modelleme kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında; uç ile numune arasındaki etkileşimler için moleküler dinamik (MD), AKM kiriş dinamiği için de harmonik osilatör denklemlerini kullanan bir temassız AKM simülatörü önerilmiştir. Bu amaçla örnek yüzey olarak platin alttaş tarafından desteklenen bir grafen yüzey ile platin bir AKM ucu oluşturulurmuş ve aralarında farklı uzaklıklarda meydana gelen etkileşimler MD teknikleri ile hesaplanmıştır. Hesaplanan etkileşim kuvvetleri polinom eğrilerine uydurulmuş ve harmonik osilatör modeline aktarılmıştır. Harmonik osilatör modeli ile temassız AKM'nin iki farklı çalışma modu modellenmiştir: Sabit Yükseklik ve Topografi Taraması. Elde edilen kuvvet haritaları incelendiğinde, uç asimetrisinden kaynaklanan tutarsızlıklar gözlemlenmiştir. Uç asimetrisinden ötürü, algılanan atom pozisyonlarında kayma ve genel mekânsal bozulma gözlemlenmiştir. Ayrıca, atomların hareketliliği uçta uzamaya ve yüzeyde uca yakın yerlerde tümsekleşmelere neden olmuştur. Uç uzaması, uçta sivrilmeye ve bu sebeple genel etkileşimde azalmaya sebep olmuştur. Buna ek olarak atomların bireysel termal hareketlerinden kaynaklanan genel bir gürültü tespit edilmiştir. Elde edilen temassız AKM tarama sonuçları yüzeyi hedeflenen gibi haritalamayı başarmıştır. Sabit yükseklik modunda, çekimsel olarak daha kuvvetli etkileşim sergileyen grafenin boşluk bölgeleri, beklenildiği gibi, yüksek frekans sapması vasıtasıyla tespit edilmişlerdir. Buna benzer olarak, uç-yüzey mesafesinin kısaltılması, etkileşimi arttırdığından frekans sapmasında da artışa sebep olmuştur. AKM kirişinin titreşim genliğinin arttırılması, bir salınım döngüsü boyunca kısa mesafeli etkileşimlerin oranını azaltmış ve bu sebeple frekans sapmasında azalmaya sebep olmuştur. Topografi taraması modunda çekimsel olarak daha kuvvetli etkileşim yaratan boşluk bölgeleri başarılı bir şekilde takip edilmiştir; ayarlanan sapma frekansı artırıldıkça, ortalama uç-numune uzaklığı azalmış ve topografik farklar artmıştır. Bütün bunlara ek olarak, ideal olmayan (çok hızlı veya çok yavaş) mesafe kontrolcüleri kullanıldığında, yüzey güvenilir bir şekilde takip edilememiş ve kontrolcüden kaynaklanan gürültü artmıştır. Bu sonuçlar vasıtasıyla, temassız AKM deneylerini tatminkâr bir şekilde benzeten, işlevsel bir temassız AKM modeli gösterilmiştir.