Modeling of NC-AFM experiments by the utilization of molecular dynamics and the harmonic oscillator model
Moleküler dinamik ve harmonik osilatör modelinin kullanımıyla temassız AKM deneylerinin modellenmesi
- Tez No: 463786
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. MEHMET ZEYYAD BAYKARA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 88
Özet
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.
Özet (Çeviri)
Atomic force microscopy is a widely-used instrument in nanotechnology and nanoscience. Imaging of single molecules, atoms or even bond structures and tip-sample interactions with pm and pN resolution are made possible with non-contact atomic force microscope (NC-AFM) techniques. Since very high resolution imaging is relatively recent and underlying effects are not yet fully understood, interpretation of images can be controversial and may differ. Therefore theoretical modeling is used alongside with experimental work in order to gain a better insight about underlying physical phenomena regarding NC-AFM images and related artifacts. In this thesis work, a simulator for NC-AFM experiments is suggested which utilizes the harmonic oscillator equations for AFM cantilever dynamics and molecular dynamics (MD) for the interaction between tip and sample. For this purpose, a model graphene surface with underlying platinum substrate and a platinum tip is created and their interaction is mapped at different distances with MD techniques. Calculated interaction forces are fitted to polynomials and imported to the harmonic oscillator model. With the harmonic oscillator model and imported interaction data, two different operating modes of NC-AFM are modeled: Constant Height and Topography Scan. When obtained force maps are investigated, tip asymmetry related artifacts are observed. Due to tip asymmetry, a shift in detected atom positions and overall spatial disturbance are observed. Furthermore, the mobility of atoms causes elongation of the tip and a bumpy formation of the sample surface near the tip. Elongation of the tip decreased the overall interaction due to increasing sharpness of the tip. Also an overall noise is detected due to individual, thermally-induced movements of atoms. Obtained NC-AFM scan results were able to map the surface as desired. In constant height mode, more attractive hollow-site regions of graphene are detected via high frequency shifts, as expected. Also due to increasing interaction, closer tip-surface distances resulted in higher frequency shifts. Increasing oscillation amplitudes caused a decrease in the ratio of short-range interactions over the whole oscillation cycle and hence decreased the frequency shift. In the topography scan mode, attractive hollow-site regions are tracked as expected; increasing the set frequency shift also increased the topography corrugation and decreased the mean tip-sample distance. Moreover, non-optimal (too slow or too fast) distance controllers resulted in tracking the surface in an unreliable way and controller-induced noise. With these results, a functional NC- AFM model is demonstrated which is able to satisfactorily simulate NC-AFM experiments.
Benzer Tezler
- Carrier dynamics in silicon and germanium nanocrystals
Silisyum ve germanyum nanoörgülerde tasıyıcı dinamiği
CEM SEVİK
Doktora
İngilizce
2008
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Bölümü
YRD. DOÇ. DR. CEYHUN BULUTAY
- Modeling of cutting forces for 5-axis ball-end milling of free-form surfaces
Serbest yüzey geometrili parçalarin 5 eksen küresel frezelenmesinde kesme kuvvetlerinin modellenmesi
YAMAN BOZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- NC verification for turning operations
Torna işlemleri için NC doğrulama
TOLGA SUSUZLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2001
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER ANLAĞAN
- Investigation of mechanical behavior of graphene reinforced aluminum nanocomposites
Grafen ile güçlendirilmiş alüminyum nano kompozitlerin mekanik davranışının araştırılması
NECATİ YASİN GÖKSAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT KIRKAYAK
- Dönel simetrik elemanların modüler tasarımı CAM-CNC integrasyonu ve simülasyonu
Modular design, CAM-CNC integration and simulation of rotational parts
HAKAN MESTÇİ
