Çoklu Frekanslı Atomik Kuvvet Mikroskobu Ve Uygulamaları

Abstract

Bu tez için yapılan çalışmalarda, görüntüleme üzerinde rol oynayan parametreleri anlamak için Atomik Kuvvet Mikroskobu’ nun fiziksel temelleri ve çalışma prensibi teorik olarak incelendi. Daha sonra AKM’ nin farklı çalışma modları değişik birçok örnek üzerinde denendi, örneğin Kontak Mod Atomik Kuvvet Mikroskobu, Dinamik Mod AKM, Kontak Dışı AKM, Manyetik Kuvvet Mikroskobu ve bu çalışma tekniklerinin Çoklu Frekanstaki uygulamaları. Çoklu frekanslı AKM’ ye sahip olmak için, Atomik Kuvvet Mikroskobu’ nu iki tane dijital Faz Kilitlemeli Döngü (PLL), yüksek frekansı geçiren ve alçak frekansı geçiren filtrelerle destekleyerek modifiye ettik. Birinci ve ikinci rezonans frekansına ait genliklerin oranlarını değiştirerek Genlik Modülasyonu AKM çalışma modunda ve Manyetik Kuvvet Mikroskobu ile değişik örnekler üzerinde birçok deneyler yaptık. Çoklu frekanslı Genlik Modülasyonu AKM’ nin daha iyi kuvvet ölçme hassasiyeti olanağı verdiği söylenmesine rağmen bazı dezavantajları vardır. Örneğin, yayın hareketinin lineer olmaması, iğnenin yüzeye yapışmasından dolayı gecikmesi, viskoelastisite veya enerji kaybı bunların bazılarıdır. Bu nedenle, Atomik Kuvvet Mikroskobunu iki dijital PLL ile destekledikten sonra Frekans Modülasyonu AKM tekniği ile çalıştırdık. PLL’ lerden biri birinci rezonans frekansına eşleştirildi. Yüzey-iğne etkileşmelerinden dolayı rezonans frekansındaki kaymalar iğne-yüzey arası mesafenin kontrolü için geri besleme mekanizmasına gönderildi. Birinci rezonans frekansındaki kaymalar yüzeyin topografisini belirlemede kullanılırken, ikinci PLL yayın ikinci rezonans frekansına eşleştirildi ve ikinci rezonans frekansındaki kaymalar ve hata sinyalinin yüzey haritası elde edildi. Bu tezde Tekli sürücü frekanslı AKM ile Çoklu Frekanslı AKM arasındaki belirgin farklılıklar incelenip bu çalışma şekillerinin optimizasyonu yapılmıştır.

In this study, fundamental concepts and physical principles of Atomic Force Microscopy (AFM) were studied theoretically in order to understand which parameters act on imaging process. Then, different operating modes of AFM were examined such as, Contact Mode Atomic Force Microscopy (C-AFM), Tapping Mode AFM, Non-Contact Mode AFM, Magnetic Force Microscopy and their multifrequency applications modes. We modified our AFM with two digital PLL and additional several Low-pass, High-pass filters in order to oscillate the cantilever in Bimodal Operation. We carried out variety of experiments by changing amplitude ratio (A2 /A1) of first and second resonance frequencies of the cantilever in amplitude modulation AFM. Even though Multifrequency Amplitude Modulation AFM achieved better sensitivity; there are some disadvantages, such as non-linear features in the dynamics of the tip motion, adhesion hysteresis, viscoelacticity or electronic dissipation. Therefore, we built a Multifrequency NC-AFM setup by using two digital Phase Locked Loops (PLL). While the Tip interacts with the sample surface, resonance frequency of the cantilever shifts because of the force gradient. One of the PLLs was locked to the first resonance frequency of cantilever and used to give the frequency shift as the feedback signal for the regulation of the tip-sample separation. While the shift in the first resonance frequency was used to generate the topographic image of the sample surface, other PLL was locked to the second resonance frequency and we obtained the frequency shift and dissipation maps of the surface. In addition to these studies, Single frequency and Multifrequency Excitation methods were compared with a noticable difference.