Çoklu frekanslı atomik kuvvet mikroskopi teorisinin akustik kuvvetin hassas ölçümü için uygulanması
Application of multifrequency atomic force microscopy theory for sensitive acoustic force measurement
Yazar: ÇAĞRI YILMAZ
Danışman: PROF. DR. EYÜP SABRİ TOPAL
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Faz kayması = Phase shift ; Genlik = Amplitude ; Tahrik sistemleri = Propulsion systems ; Virial teoremi = Virial theorem

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.

Abstract:
Interaction forces between the cantilever tip and the surface can be measured using Multi-Frequency Atomic Force Microscope (MF-AFM). In addition to the interaction forces, it is possible to measure acoustic force with the MF-AFM technique. Acoustic waves with their energy contents can exert forces on the surfaces of micro-structures. In multi-frequency operations, regular pressure loads originating from acoustic force are effective on the surface of the cantilever driven at resonance frequencies. In the thesis study, measurement sensitivity of static and dynamic acoustic forces is investigated using single-frequency and MF-AFM operations.
In order to increase the sensitivity of the static acoustic force measurement, the cantilever is driven with single and two frequency excitation schemes. Based on displacements of the cantilever, the oscillation amplitudes and phase shifts are calculated for different acoustic force strengths. The results are correlated with the virial and power dissipation for each eigenmode of the cantilever. In addition, the sensitivity of the oscillation observables is investigated with respect to the acoustic force strength in single and bimodal frequency operations for different driving force ratios.
Single and bimodal frequency excitation schemes are used to drive the cantilever in the presence of dynamic acoustic forces. Driving the cantilever at the first two eigenmode frequencies simultaneously increases the sensitivity of the observables and energy variables obtained in the measurement of acoustic forces around the eigenmode frequencies. According to the simulation results, the highest phase shift of 178 degrees is obtained in the measurement of the dynamic acoustic force with the frequency of 307.2 kHz and the force strength of 100 pN. In addition, two-frequency, three-frequency and four-frequency excitation schemes are used as multi-frequency excitation schemes to drive the cantilever in the presence of dynamic acoustic forces. As a result of the simulation, the time domain responses of the cantilever to acoustic forces are presented for different excitation schemes, so that the free oscillations are compared with the oscillations of the driven cantilever subjected to acoustic forces. Furthermore, the results of the amplitude responses at the first four eigenmodes for various force strengths are evaluated with respect to the acoustic force frequencies. According to the simulation results, the amplitude response of approximately 0.303 nm is obtained at the fourth eigenmode for the force strength of 2900 pN at the frequency of 1740 kHz. This result proves that acoustic forces at megahertz frequencies can be measured using a resonant Atomic Force Microscopy (AFM) cantilever under tetramodal operation.
In the thesis work, the sensitivity of dynamic acoustic force measurement is also investigated by using the cantilever array under single frequency operations at the second eigenmode frequency and bimodal frequency operations. In the measurement of acoustic forces within a certain frequency band, the phase shift sensitivity is increased using the bimodal frequency excitation scheme, depending on the acoustic force strength. Oscillation observables for both excitation schemes are calculated with respect to acoustic force frequency for different acoustic force strengths. A wider high-sensitivity frequency band is obtained using the cantilever array driven at resonance frequencies. According to the simulation results, high-sensitivity frequency bands in the range of approximately 200-270 and 440-570 kHz are acquired for the acoustic force strength in the range of 126-1138.5 pN. The energy dissipated as a result of the acoustic force interaction is described by considering the energy transmitted to the working environment and the mode interaction in the multi-frequency excitation scheme.