Μελέτη και ανάλυση μίκρο- και νανομετρολογικών διατάξεων
Authors: Γεωργακάκη Δήμητρα 
Published: August 2021

Η παρούσα διατριβή έχει ως κύριο στόχο να παρουσιάσει και να μοντελοποιήσει, χρησιμοποιώντας μεθόδους από διαφορετικές κλίμακες, τη λειτουργία ενός εικονικού μικροσκοπίου ατομικών δυνάμεων καθώς και να εξετάσει μοντέρνες εφαρμογές του στην επιστήμη των υλικών. Συγκεκριμένα, ασχοληθήκαμε με πειραματικές και υπολογιστικές μεθόδους βαθμονόμησης μικροδοκών πυριτίου, με τις αλληλεπιδράσεις μικροδοκών και νανοακίδων πυριτίου και διαμαντιού με ημιαγωγικά δείγματα για εφαρμογές τοπογραφίας και νανοεγχάραξης καθώς και με τη μελέτη ταλαντωτικών και μηχανικών ιδιοτήτων σύνθετων νανοδοκών πυριτίου-γερμανίου. Αρχικά, παρουσιάζονται αποτελέσματα από τη βαθμονόμηση RTESPA μικροδοκών που χρησιμοποιούνται ευρέως στη μικροσκοπία ατομικής δύναμης στη λειτουργία περιοδικής επαφής. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν διαστατικές μετρήσεις με SEM, μετρήσεις ιδιοσυχνότητας και ποιότητας συντονισμού με AFM και υπολογίστηκαν οι σταθερές ελατηρίου των RTESP δοκών υποθέτοντας τέλειες ορθογώνιες και τραπεζοειδείς γεωμετρίες. Στη συνέχεια κατασκευάστηκαν ρεαλιστικά FEM μοντέλα διαφόρων γεωμετριών για να εξεταστεί εάν η ακίδα ή οι ανομοιογένειες της τραπεζοειδούς διατομής ή το ανακλαστικό στρώμα στο επάνω μέρος του βραχίονα μπορούν να αλλάξουν σημαντικά την τιμή της ακαμψίας. Χρησιμοποιούμε επίσης τη μέθοδο Sader βάσει της συχνοτικής συμπεριφοράς του βραχίονα και συγκρίνουμε με άλλες μεθόδους. Σημειώνουμε ότι όλες οι μετρήσεις ακαμψίας συνοδεύονται από υπολογισμούς συνδυασμένης σχετικής μετρητικής αβεβαιότητας. Στη συνέχεια, μελετάται με αριθμητική προσομοίωση η απόκριση του συστήματος του AFM απουσία ή παρουσία δείγματος, στη μακροσκοπική προσέγγιση. Στόχος αυτής της μελέτης είναι η διερεύνηση των παραμέτρων που επηρεάζουν την απόκριση του συστήματος, η ολοκληρωμένη προσομοίωση συστήματος με χρήση πειραματικά προσδιοριζόμενων παραμέτρων καθώς και η εξέταση μη-γραμμικών φαινομένων κατά τη λειτουργία περιοδικής επαφής όπως χαοτικές τροχιές, θερμικός θόρυβος, στοχαστικός συντονισμός κ.α. Για την πραγματοποίηση ατομιστικών προσομοιώσεων, παρουσιάζεται ο κώδικας που υλοποιήθηκε για την εφαρμογή του εικονικού μικροσκοπίου και η βελτιστοποίηση του στην ταχύτητα και σε θέματα μνήμης. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται ένα τρισδιάστατο μοντέλο μοριακής δυναμικής για μετρήσεις σημείου σε νανοσκαλοπάτι πυριτίου μέσω διαδοχικών κύκλων προσέγγισης-απομάκρυνσης. Το μοντέλο αυτό συμπεριλαμβάνει τόσο τις κάθετες αλληλεπιδράσεις ως προς την επιφάνεια του δείγματος όσο και τις πλευρικές και διαμήκεις δυνάμεις παράλληλες στο επίπεδο της επιφάνειας. Με αυτήν την προσέγγιση μπορούμε να προσομοιώσουμε σαρώσεις σταθερής δύναμης ακόμα και όταν η ακίδα κατευθύνεται σε απότομες ακμές δομών τύπου σκαλοπάτι. Κατόπιν, παρουσιάζουμε ένα μοντέλο μοριακής δυναμικής το οποίο περιγράφει με ακρίβεια την νανοεγχάραξη μιας επιφάνειας Si από μια άκαμπτη ακίδα διαμαντιού C η οποία έχει το ρόλο του διεισδυτή και την κατασκευή αυλακιών στα οποία θα μπορούσε να μελετηθεί η ροή διαφόρων ρευστών. Τέλος, παραθέτονται αποτελέσματα από προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής για τις ελαστικές και μηχανικές ιδιότητες νανοσυρμάτων Si, Ge, SixGe1-x δυαδικά κράματα, Si/SiGe υπερπλέγματα και Si/ SixGe1-x υπερπλέγματα δυαδικών κραμάτων. Μελετούμε την επίδραση της δομής και της στοιχειομετρίας στη συχνότητα συντονισμού, στην ποιότητα συντονισμού, στο μέτρο ελαστικότητας Young και στην απόκριση μάζας. Επίσης μελετούμε πιθανούς τρόπους για τη βελτίωση της απόδοσης της νανοδιάταξης με υδρογόνωση της ελεύθερης επιφάνειας. Η πιθανή επίδραση της δομής και στοιχειομετρίας στην απόδοση των Si/Ge νανοδοκών θα καθορίσει την χρησιμότητα τέτοιων διατάξεων σαν αισθητήρες μάζας.