Çoklu Frekanslı Atomik Kuvvet Mikroskopi Teorisinin Akustik Kuvvetin Hassas Ölçümü için Uygulanması

Tez Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Akdeniz Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Türkiye

Tez Danışmanı: Eyüp Sabri Topal

Tezin Onay Tarihi: 2022

Tezin Dili: Türkçe

Özet:

Çoklu Frekanslı Atomik Kuvvet Mikroskobu (ÇF-AKM) ile kantilever ucu ile yüzey arasındaki etkileşim kuvvetleri ölçülebilmektedir. Etkileşim kuvvetlerinin yanısıra, ÇF-AKM tekniği ile akustik kuvvet ölçümü yapmak mümkündür. Akustik dalgalar, sahip oldukları enerji ile birlikte mikro yapıların yüzeylerine kuvvet uygulayabilmektedir. Çoklu frekanslı operasyonlarda rezonans frekanslarında sürülen kantileverin yüzeyinde akustik kuvvetten kaynaklı düzenli basınç yükleri etkili olmaktadır. Tez çalışmasında tek frekanslı ve ÇF-AKM operasyonları kullanılarak statik ve dinamik akustik kuvveti ölçüm hassasiyeti araştırılmıştır.

Statik akustik kuvvet ölçümünün hassasiyetinin arttırılması için kantilever tek ve iki frekanslı tahrik şemaları ile sürülmektedir. Kantileverin yer değiştirmelerine dayalı olarak farklı akustik kuvvet şiddetleri için salınım genlikleri ve faz kaymaları hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar, kantileverin her bir özmodu için bulunan virial ve güç yayılımı ile ilişkilendirilmiştir. Buna ilaveten, farklı tahrik kuvveti oranları için tek ve iki frekanslı operasyonlarda elde edilen akustik kuvvet şiddetine göre salınım gözlenebilirleri hassasiyeti araştırılmıştır.

Dinamik akustik kuvvetlerin varlığında kantileverin sürülmesi için tek ve iki frekanslı tahrik şemaları kullanılmıştır. Kantileverin ilk iki özmod frekansında aynı anda sürülmesi özmod frekanslarının etrafında olan akustik kuvvetlerin ölçümünde elde edilen gözlenebilirlerin ve enerji değişkenlerinin hassasiyetini arttırmıştır. Simülasyon sonuçlarına göre 307.2 kHz frekansında ve 100 pN değerinde kuvvet şiddetine sahip dinamik akustik kuvvetin ölçümünde 178 derecede en yüksek faz kayması elde edilmiştir. Ayrıca, dinamik akustik kuvvetlerin varlığında kantileverin sürülmesi için çoklu frekanslı tahrik şemaları olarak iki frekanslı, üç frekanslı ve dört frekanslı tahrik şemaları kullanılmıştır. Nümerik çözümleme sonucu olarak kantileverin akustik kuvvetlere olan zaman alanındaki tepkileri, farklı tahrik şemaları için sunulmuştur, böylece serbest salınımlar, akustik kuvvetlere maruz kalan ve tahrik edilen kantileverin salınımları ile karşılaştırılmıştır. Buna ilaveten, çeşitli kuvvet şiddetleri için akustik kuvvet frekanslarına göre ilk dört özmoddaki genlik tepkilerinin sonuçları değerlendirilmiştir. Simülasyon sonuçlarına göre 1740 kHz frekansındaki 2900 pN'lik kuvvet şiddeti için dördüncü özmodda yaklaşık 0.303 nm'lik bir genlik tepkisi elde edilmiştir. Bu sonuç megahertz frekanslarındaki akustik kuvvetlerin, tetramodal operasyon altındaki rezonanslı Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) kantileveri kullanılarak ölçülebildiğini kanıtlamaktadır.

Tez çalışmasında, ayrıca, ikinci özmodda tek ve iki frekanslı operasyonlar altındaki kantilever dizini kullanılarak dinamik akustik kuvvet ölçüm hassasiyeti incelenmiştir. Akustik kuvvet şiddetine bağlı olarak belirli frekans bandındaki akustik kuvvetlerin ölçümünde iki frekanslı tahrik şeması ile faz kayması hassasiyeti arttırılmıştır. Her iki tahrik şeması için salınım gözlenebilirleri farklı akustik kuvvet şiddetleri için akustik kuvvet frekansına göre hesaplanmıştır. Rezonans frekanslarında sürülen kantilever dizini kullanarak daha geniş yüksek hassasiyetli frekans bandı elde edilmiştir. Simülasyon sonuçlarına göre 126-1138.5 pN aralığındaki akustik kuvvet şiddeti için yaklaşık olarak 200-270 ve 440-570 kHz aralığında yüksek hassasiyetli frekans bantları elde edilmiştir. Akustik kuvvet etkileşimi sonucu yayılan enerji, çalışma ortamına iletilen enerji ve çoklu frekanslı tahrik şemasındaki mod etkileşimi dikkate alınarak açıklanmıştır.