Simulation of steady-state response of tip-sample interaction for a torsional cantilever in tapping mode atomic force microscopy for material characterization in nanoscale
Nano ölçekte materyal karakterizasyonu için vurma modu atomik kuvvet mikroskopisinde torsiyonel kaldıraç kullanıldığında uç yüzey etkileşiminin denge durumu davranışının simulasyonu
- Tez No: 275091
- Danışmanlar: PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2010
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 56
Özet
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.
Özet (Çeviri)
Dynamic atomic force microscopy (AFM) techniques involving multifrequency excitation or detection schemes offer improved compositional sensitivity and quantitative material property imaging. A correct interpretation of cantilever vibrations in multifrequency excitation and detection schemes demands an improved understanding of the effects of enhanced high frequency vibrations on the steady-state dynamics of the cantilever and in particular, on the tip-sample interaction force.In this thesis, a simulation background is developed with proper modelling of tip-sample ensemble for accurate simulation of tip-sample interaction when multifrequency excitation and detection schemes are utilized. The simulation results are analyzed and used for material characterization. The tip-sample ensemble is modelled as a multiple degree of freedom system that includes torsional mode and higher order flexural modes of the cantilever. The nonlinear behavior of sample surface is also included in the model. This mechanical model is transformed into an electrical circuit and an electrical circuit simulator is used to find steady-state of the circuit. Thereby, a simulation of steady-state dynamics of multifrequency imaging schemes is achieved.Using the developed simulation tool, the effect of torsional vibrations and higher order flexural vibrations on steady-state of tip-sample interaction is investigated. The tip trajectory and tip-sample interaction force are calculated for torsional harmonic cantilevers. The potential of torsional harmonic cantilevers in reconstruction of tip-sample interaction force for the quantitative estimation of material properties is verified. Change in amplitude of torsional harmonics with respect to elastic modulus (sensitivity) is investigated. It is shown that sensitivity of a particular torsional harmonic changes with sample stiffness and higher harmonics are more sensitive to change in stiffness. Additionally, a noise analysis of torsional harmonic cantilevers is made and included in the simulations. The tip-sample interaction force is recovered from the simulated torsional vibration signal and the effective elastic modulus of the sample is estimated. It is observed that accuracy of the estimation is affected by number of torsional harmonics used in the recovery of interaction force.
Benzer Tezler
- Bir ısıtma ve havalandırma sisteminin bulanık mantık kontrolü
Fuzzy logic control of a heating and ventilation system
EMRAH SARI
Yüksek Lisans
Türkçe
2001
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ŞENİZ ERTUĞRUL
- Sincap kafesli asenkron makinenin rotor alan yönlendirmeli kontrolü
Rotor field-orientation control of a squirrel cage induction machine
SAFFET ALTAY
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. M. EMİN TACER
- Modeling, simulation and implementation of a permanent magnet synchronous motor drive system using anfis technique
Sabit mıknatıslı senkron motor sürüş sistemi için anfıs tekniği kullanarak modelleme, simulasyon ve gerçekleme
İPEK KUVVETLİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LALE ERGENE
- Bir bulanık kontrolörün performans analizi
Performance analysis of a fuzzy logic controller
HÜSEYİN KAHRAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- EMPT ile enerji iletim sistemlerinde açma-kapama olayları analizleri
Switching phenomena analyses of power transmission systems with EMTP
TANER DENİZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. ADNAN KAYPMAZ