Numerical simulation of nano scanning in tapping mode afm under Q control

Abstract

Bu tezde, kalite faktörü (Q) kontrollü altında çalışan bir atomik kuvvetmikroskobunun (AKM) nano boyutlardaki bir yüzeyi taramasını SIMULINKsimülasyonları ile inceledik. Sadece tarama probunun dinamiğine değil, taramaişleminin bütünün simülasyonuna odaklandık. Bu sayede, Q kontrollü taramanın,değişik tarama değişkenleri ve ayarları için performansını sayısal olarak inceledik.İlk önce, probun etkin Q faktörünü ayarlamaktaki ödünleşmesini gösterdik. DüşükQ faktörü, prob ucu ile taranan yüzey arasındaki etkileşim kuvvetlerini artırırken,yüksek değerler tarama hızını sınırlandırmaktadır. Daha sonra, hata sinyaliningenliğine göre probun Q faktörünü anlık olarak değiştiren uyarlanabilir (adaptif)Q kontrolü kullanarak etkileşim kuvvetlerini artırmadan da daha yüksek taramahızlarına ulaşmanın mümkün olduğunu gösterdik. Adaptif Q kontrolü sayısalolarak hesaplanan eş hata çizgileri kullanılarak standart Q kontrolü ilekarşılaştırıldı ve sonuçlar deney düzeneğinde yapılan tarama deneyleriyledesteklendi.

In this thesis, we investigate nano scanning in tapping mode atomic forcemicroscopy (AFM) under quality (Q) control via numerical simulations performedin SIMULINK. We focus on the simulation of whole scan process rather than theinteractions between the AFM probe and the surface only. This enables us toquantify the scan performance under Q control for different scan variables andsettings. We first demonstrate the trade-off in setting the effective Q factor (Qeff)of a cantilever probe in standard Q control. Low values of Qeff causes an increasein tapping forces while higher ones limit the maximum achievable scan speed dueto the slow response of the cantilever to the rapid changes in surface profile. Wethen show that it is possible to achieve higher scan speeds without causing anincrease in the tapping forces using adaptive Q control (AQC), in which the Qfactor of cantilever is changed instantaneously depending on the magnitude oferror signal in oscillation amplitude. The scan performance of AQC isquantitatively compared to that of standard Q control using iso-error curvesobtained through numerical simulations first and then validated through scanexperiments performed in a physical set-up.