Nanomechanical characterization of materials by enhanced higher harmonics of a tapping cantilever
- Global styles
- Apa
- Bibtex
- Chicago Fullnote
- Help
Abstract
ÖZET TİTREŞEN KALDIRACIN GELİŞTİRİLMİŞ YÜKSEK HARMONİKLERİ VASITASIYLA MADDELERİN NANOMEKANİKSEL NİTELENDİRİLMESİ Müjdat Balantekin Elektrik Mühendisliği, Doktora Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Abdullah Atalar Mayıs, 2005 Atomik kuvvet mikroskobunun vurma-modu'nda, kaldıraç ucunun denek yüzeyiyle periyodik etkileşimi uç-denek etkileşim kuvvetini doğurur ve kaldıracın saf sinusoidal devinimi bozulur. Bu nedenle, titreşen kaldıracın tayfı uyarma frekansının tam katlarında yüksek harmonikler ihtiva eder. Bu tezde, nano ölçekteki materyal özelliklerini araştırmak için titreşen kaldıracın yüksek har- moniklerinin bir tanesininden faydalanıyoruz. Eğer etkileşime elastik kuvvet ege- mense, yüksek harmomklerin genliğinin belirli bir denek sertliği aralığında mono ton bir şekilde arttığım analitik olarak gösterdik, n'inci harmoniği geliştirmek için, kaldıracın kendi rezonans frekansının tam böleninde (u>ı/n) uyarıldığı bir yöntem önerdik. Uç-denek sisteminin önerilen yönteme tepkisini elde etmek için sayısal benzetimler icra edildi. Çok yüksek harmonik bozunumu durumunda gözlenen düzensiz sistem tepkisini bertaraf etmek için önerilen yöntem biraz değiştirildi. Geliştirilmiş yüksek harmoniğin çoktur el deneklerdeki madde değişimlerini ayırt edebilirliğini görmek ve tektürel deneklerin yüzeyindeki topografya değişimlerine nasıl bağlı olduğunu bulmak amacıyla deneyler yapıldı. Geliştirilmiş yüksek harmoniğin polimer karışımlarındaki materyal çoktürelliğinin çok yüksek bir sinyal/gürültü oram ile resimlenmesi için kullanılabileceğini gösterdik. Takriben 100 nin boyutundaki yüzey yapıları net bir şekilde görüntülendi. Ayrıca geleneksel vurma-modu'nun topografya ve faz görüntülemesine karşılaştırma yapıldı. Anahtar sözcükler: Atomik kuvvet mikroskobu, vurma modu, titreşen kaldıraç, geliştirilmiş yüksek harmonikler, nanomekanik madde özellikleri. ABSTRACT NANOMECHANICAL CHARACTERIZATION OF MATERIALS BY ENHANCED HIGHER HARMONICS OF A TAPPING CANTILEVER Müjdat Balantekin Ph.D. in Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Prof. Dr. Abdullah Atalar May, 2005 In a tapping-mode atomic force microscope, the periodic interaction of the tip with the sample surface creates a tip-sample interaction force, and the pure si nusoidal motion of the cantilever is disturbed. Hence, the frequency spectrum of the oscillating cantilever contains higher harmonics at integer multiples of the excitation frequency. In this thesis, we utilize one of the higher harmonics of a vibrating cantilever to investigate the material properties at the nanoscale. We show analytically that the amplitudes of the higher harmonics increase monoton- ically for a range of sample stiffness, if the interaction is dominated by elastic force. We propose a method in which the cantilever is excited at a submultiple of its resonant frequency (wi/n) to enhance the nth harmonic. The numerical simulations are performed to obtain the response of the tip-sample system for the proposed method. The proposed method is modified to eliminate the chaotic system response observed in the very high harmonic distortion case. The exper iments are carried out to see if the enhanced higher harmonic can discriminate the material variations in heterogeneous samples and to find how it is related to the topography changes on the homogeneous sample surfaces. We show that the enhanced higher harmonic can be utilized to map material heterogeneity in polymer blends with a very high signal-to-noise ratio. The surface features ca. 100 nm in size are clearly resolved. A comparison is also made to conventional tapping-mode topography and phase imaging. Keywords: Atomic force microscope, tapping-mode, vibrating cantilever, en hanced higher harmonics, nanomechanical material properties. IV
Collections