FBE- Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Yazar "Çelik, Ümit" ile FBE- Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeYüksek Hızlı Atomik Kuvvet Mikroskobu (yh-akm) Geliştirilmesi Ve Çeşitli Uygulamaları(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017-03-6) Çelik, Ümit ; Özer, Hakan Özgür ; 10141660 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği ; Material Science and EngineeringAtomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) taramalı uç mikroskopları ailesinde yer alan ve yüksek çözünürlükte yüzeylerin nano boyutta 3 boyutlu olarak karakterize edilmesine olanak sağlayan bir tekniktir. Atomik Kuvvet Mikroskopları malzeme biliminde, biyofizik alanında, nanoteknoloji uygulamalarında, endüstriyel proses kontrolünde ve daha birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Yüzey topoğrafisi çıkarma, mekanik özelliklerin tesbiti, elektriksel veya manyetik özelliklerin ölçümü gibi standart kullanım alanları yanında AKM birçok deneyin kendi doğal ortamında yüksek çözünürlükte gerçekleştirilerek karakterize edilebilmesine olanak sağlayan tek tekniktir. Ancak AKM’de tarama hızı kullanılabilirliği ve uygulama alanlarını kısıtlamaktadır. Standart AKM’ler ile belirli bir alan için yüzey görüntüleme minimum birkaç dakika sürmektedir. Yüzeylerde gerçekleşen dinamik olaylar bu hızdan çok daha hızlı gerçekleşmektedir. Bu da dinamik olayları izleyebilmeyi ve mekanizmalarını anlayabilmeyi olanaksız yapar. Bu sebeple Yüksek Hızlı AKM (YH-AKM) fikri 1993’den beri bilim insanlarının ilgisini çekmeye başlamıştır. Yüksek hızlı Atomik Kuvvet Mikroskobu (YH-AKM) maddelerin kendi ortamlarındaki yapısal değişikliklerinin ve yüzeylerde gerçekleşen dinamik olayların incelenmesine olanak sağlamaktadır. YH-AKM özellikle elektrokimyasal tepkimeler ile yüzeylerde oluşan dinamik değişikliklerin incelenmesine ya da biyolojik moleküllerin kendi fizyolojik ortamlarında incelenebilmesine olanak sağlayarak mekanizmalarının anlaşılmasına katkı sağlayabilir. Ayrıca tarama hızının artması ile AKM’ler endüstriyel kalite kontrolünde de daha aktif kullanılmaya başlayabilir. Floresan mikroskobu tekniğinde olduğu gibi birçok karakterizasyon metodu dolaylı yöntemlere dayanmaktadır. Bu da sistemde serbestlik derecesinin artmasına sebep olarak dinamiğinin değişmesine neden olabilir. Diğer yöntemlerden farklı olarak YH-AKM doğrudan karakterizasyon olanağı sağlamaktadır. Tez çalışmasında ülkemizdeki ilk YH-AKM geliştirilmesi hedeflenmiştir. YH-AKM fikrinin 24 yıllık bir geçmişinin olmasına rağmen dünyada hala tatmin edici bir YH-AKM geliştirilememiştir. Dünyada birçok araştırma kurumu ve şirket YH-AKM geliştirilmesine konusunda aktif olarak çalışmaktadır. Prof. Ando ve Prof. Hansma tarafından biyofizik uygulamalarına hizmet sunabilecek düşük tarama alanına sahip (~1μm2) YH-AKM geliştirilmiştir ancak birçok uygulama alanında kullanımı olanaksızdır. Tez çalışmasında 15µm2’lik alanda 8kare/saniye ’de görüntü alınabilecek bir YH-AKM geliştirilmiştir. YH-AKM geliştirilmesi sıradan AKM geliştirilmesinden farklı zemin gerektirir. Sırandan AKM’ler ile bir görüntü almak ortalama olarak birkaç dakika almaktadır. Bundan dolayı YH-AKM için hızı en az 1000 kat artırmak gerekir. AKM’de genelde tarama hızını temel olarak mekanik aksam kısıtlamaktadır. YH-AKM için esnek kol tabanlı yüksek rezonans frekansına sahip tarayıcı geliştirmek gerekmektedir. Bir AKM tarayıcısı genelde rezonans frekansının %10’nunda rahatlıkla sürülebilir. Tarama hızı rezonansa yaklaştırıldıkça tarayıcı rezonansa girerek kontrolsüz hareketlere sebep olabilir. Bundan dolayı tarayıcının rezonansını olabildiğince yüksek tutmak önemlidir. YH-AKM’de en önemli sınırlama Z tarayıcı bant çalışma aralığıdır. Video hızında tarama megahertz seviyesinde bant çalışma aralığı gerektirmektedir. YH-AKM geliştirmesinde ayrıca yüksek hızlı kontrol elektroniği geliştirmesi önem arz etmektedir. AKM kontrol elektroniği tip-örnek arası kuvveti sabit tutmada, cantilever titreşim genliğini her titreşim periyodunda hesaplamada, tarama sinyallerini üreterek her lineer pozisyonda veri yakalayarak bilgisayara göndermede görev almaktadır. AKM kontrol yazılımı geliştirme ayrıca büyük zorluklardan birisidir. 20MB/sn’de gelen ham verilerin işlenerek görüntülenmesinden AKM kontrol yazılımı sorumludur. Tez çalışması kapsamında 15µmx15µmx3µm tarama alanına sahip YH-AKM tarayıcısı geliştirilerek üretilmiştir. Sonlu eleman analizi araçları simülasyonlarda kullanılmıştır. Geliştirilen XY tarayıcının rezonans frekansı 10 kHz ve Z tarayıcının rezonansı 155 kHz olarak ölçülmüştür. Z tarayıcı çalışma bant aralığını artırabilmek için çift kademeli Z tarayıcı geliştirilen tarayıcı rezonans frekansı 1.6MHz’e kadar yükseltilmiştir. YH-AKM için FPGA tabanlı yüksek hızlı kontrol elektroniği ve yazılımı geliştirilmiştir. Çalışmada ilk defa tarayıcı sürmek için DDS tabanlı tarama sinyal üreteci geliştirilmiştir. Tarayıcı sinüzoidal dalga formu ile sürülerek lineer eşit pozisyonlarda veri yakalanması sağlanmıştır. Bu sayede tarayıcının rezonans frekansı uyarılmadan yüksek hızda tarama yapılabilmesine olanak sağlanmıştır. YH-AKM için çok kademeli dinamik PID kontrol sistemi geliştirilmiştir. Bu sayede pürüzlü yüzeylerde de daha iyi yüzey takibi sağlanmıştır. YH-AKM tarayıcısını sürebilmek için yüksek bant çalışma aralığına sahip piezo sürücü geliştirilmiştir. XY tarayıcı mekanizmasının Z rezonans frekansının tetiklenmemesi için Z ekseninde ters balans yöntemi kullanılmıştır. Tip tarayıcı YH-AKM geliştirebilmek için çalışmalar yapılmıştır. Optik simülasyonlar gerçekleştirilerek tip izleme sistemi hata oranları tespit edilmiş ve hataları giderebilecek lazer tarama sistemi geliştirilmiştir. Çalışma neticesinde 1000 satır/saniye hızında 15µm2 alan taranmasına olanak sağlayabilen YH-AKM geliştirilebilmiştir. Geliştirilen sistem ile kuru ve sıvı ortamda deneyler gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasında ayrıca tek fiber ve lazer kullanılarak radyasyon basıncı prensibine dayalı yeni doğrudan cantilever tahrik yöntemi geliştirilmiştir. İlk defa radyasyon basıncı prensibi ile cantilever uyarılarak yüksek çözünürlükte görüntü alınabilmiştir. Geliştirilen YH-AKM ile kuru ve sıvı ortamda deneyler yapılmıştır. Kalibrasyon örneği ile testler gerçekleştirilerek sistemin performans testleri gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen YH-AKM tarayıcısında lineer olmayan etkiler gözlemlenmemiştir. 8 kare/saniye ‘de kalibrasyon numunesinde görüntü alınabilmiştir. Ayrıca testlerde blu-ray disk numunesi uzun süre taranarak algılayıcı uç ömür testleri gerçekleştirilmiştir. Uygulama olarak FeS tek kristal örneği oksitlenmesi 4 kare/saniye hızında görüntülenmiştir. Ayrıca alüminyum kaplı silikon örnek elektroliz yöntemi ile altın kaplanmıştır ve AKM ile kaplama işlemi dinamik olarak görüntülenebilmiştir.