Simulation of steady-state response of tip-sample interaction for a torsional cantilever in tapping mode atomic force microscopy for material characterization in nanoscale

Çoklu frekansta eksitasyon ve deteksiyon yöntemlerini kullanan dinamik atomik kuvvet mikroskopi teknikleri normalden daha iyi madde kompozisyonu duyarlılığı sağlamakta ve materyal özelliklerinin kuantitatif olarak görüntülenmesini olanaklı kılmaktadır. Çoklu frekans eksitasyon ve deteksiyon yöntemleri kullanıldığında elde edilen kaldıraç titreşimlerinin doğru anlamlandırılabilmesi için güçlendirilmiş yüksek frekanslı titreşimlerin kaldıraç ve uç-yüzey kuvvetine etkisinin iyice anlaşılması gerekmektedir.Bu tezde, çoklu eksitasyon ve deteksiyon yöntemleri kullanıldığı zaman uç-yüzey sisteminin davranışının aslına uygun hesaplanabilmesi için bir simülasyon altyapısı oluşturuldu. Simülasyon sonuçları yüzeydeki maddelerin karakterizasyonu için kullanıldı. Uç-yüzey birlikteliği, kaldıracın torsiyonel modu ile yüksek fleksiyonel modlarının da hesaba katıldığı bir çoklu serbestlik derecesi sistemi olarak modellendi. Yüzeyin doğrusal olmayan (nonlineer) davranışına da modelde yer verildi. Mekaniksel bu model bir elektrik devresine transform edildi ve devrenin kararlı durumu devre simülatörü kullanılarak çözüldü. Bu sayede çoklu frekans görüntülemenin kararlı durumunun simülasyonu yapıllmış oldu.Geliştirilen simülasyon aracı kullanılarak torsiyonel titreşimlerin ve yüksek seviye fleksiyonel titreşimlerin uç-yüzey etkileşimine olan etkisi araştırıldı. Uç yörüngesi ve uç-yüzey etkileşim kuvveti torsiyonel kaldıraçlar için hesaplandı. Kuantitatif materyal karakterizasyonuna torsiyonel kaldıraçların muktedir olduğu sonuçlarla desteklendi. Yüzey sertliğine göre torsiyonel harmoniklerin büyüklüklerindeki değişim araştırıldı. Torsiyonel harmoniklerin yüzey sertliğine duyarlı olduğu ve bu duyarlılığın yüksek torsiyonel harmoniklere gidildikçe daha da arttığı görüldü. Bunlara ek olarak torsiyonel kaldıraçlar için gürültü analizi de yapıldı ve modele eklendi. Simülasyon sonucunda çıkan torsiyonel titreşim sinyali kullanılarak uç-yüzey etkileşim kuvveti hesaplandı ve bu hesaplanan sinyalden yüzey sertliği parametresi kestirildi. Kestirimin doğruluğunun etkileşim kuvvetini geri hesaplamada kullanılan torsiyonel harmonik sayısı ile doğru orantılı olduğu görüldü.