17668

17668

تحليل ديناميك چندمقياسي ميكروسكوپ‌هاي پروبي براي شرايط محيطي مختلف و ابزار مختلف همراه با اثرات غير كلاسيك

دكتري

طراحي كاربردي

ارديبهشت 1396

دكتر محرم حبيب نژاد كورايم

مكانيك

ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM) كاربردهاي مختلف از جمله توپوگرافي و نانومنيپوليشن دارد. براي اينكه بتوان عملكرد AFM را هر چه دقيق‌تر مدلسازي كرد بايد ساختار و نحوه عملكرد آن بطور مناسبي مشخص شود. يكي از موارد با اهميت در بررسي عملكرد AFM، محدوده اندازه ذراتي است كه توسط AFM منيپوليشن (شامل عمليات¬هاي جابجايي، برش، كشش و نمونه¬برداري) مي¬شوند. از AFM براي منيپوليشن ذرات در محدوده ميكرو و نانو استفاده مي¬شود. در اين رساله سعي شده با ارائه رهيافتي مناسب به مدلسازي هر چه دقيق‌تر نانومنيپوليشن ذرات با ابعاد نانو بوسيله AFM پرداخته شود. اختلاف ابعاد اجزاء اصلي (ميكروتيرك و سوزن) در AFM كه در محدوده ميكرو قرار دارند با ذرات هدف كه در محدوده نانو مي¬باشند ايجاب مي¬كند كه براي مدلسازي در هر قسمت ابزاري متناسب با آن بخش بكار گرفته شود. ابزار مناسب براي مدلسازي در ابعاد ميكرو و بزرگتر، استفاده از روش¬هاي مبتني بر تئوري مكانيك محيط پيوسته مي¬باشد در حالي كه استفاده از مكانيك محيط پيوسته بدليل آنكه اجزاء در ابعاد نانو بصورت گسسته هستند از نظر صحت با ترديد روبرو است. از ابزار¬هاي مناسب براي مدلسازي در مقياس نانو، استفاده از روش ديناميك مولكولي مي¬باشد. راهكار عملي براي چنين سيستم-هايي كه داراي تنوع مقياس و ابزار مدلسازي هستند، بكار بردن روش‌هاي چند مقياسي مي‌باشد. با توجه به اينكه مقياس اجزاء اصلي AFM در محدوده ميكرو مي¬باشد، ضرورت دارد كه روش‌هاي مبتني بر مكانيك محيط پيوسته غيركلاسيك براي مدلسازي دقيق‌تر اين اجزاء بكار برده شود. به همين منظور در اين رساله با مدلسازي ساختار اجزاء اصلي AFM بر پايه تئوري غيركلاسيك تنش كوپله اصلاح شده، رهيافت چند مقياسي غيركلاسيك براي مدلسازي سه‌بعدي فرآيند نانومنيپوليشن ارائه گرديده است. لذا، ابتدا ساختار AFM به دو بخش ميدان ماكرو و ميدان نانو تقسيم شده و سپس با مدلسازي ميكروتيرك (به عنوان بخش مهم ميدان ماكرو) AFM بصورت يك ورق با استفاده از مدل كيرشهف بر پايه تئوري تنش كوپله اصلاح شده، ديناميك بخش ميدان ماكرو مورد توجه قرار گرفته است. بررسي اثرات اعمال ولتاژ بر روي نتايج فركانسي نشان داد كه ولتاژ بحراني (ولتاژي كه در آن فركانس طبيعي صفر مي¬شود) غيركلاسيك در هر ضخامت از حالت كلاسيك آن بيشتر است. در مرحله بعد، با تركيب معادلات ميدان ماكرو با معادلات بخش ميدان نانو (شامل نانوذره و محدوده اطراف آن در مقياس خود نانوذره كه با ديناميك مولكولي مدلسازي مي¬شوند) بوسيله رهيافت چند مقياسي، ديناميك نانوذره در منيپوليشن مدلسازي مي¬شود. پس از صحه‌گذاري مدل، نتايج براي نانومنيپوليشن بوسيله دو ميكروتيرك مستطيلي و خنجري و دو نوع سوزن ارائه گرديده است. نتايج نشان¬ مي¬دهد كه تغيير شكل اجزاء AFM در مدل غير كلاسيك كمتر از كلاسيك پيش¬بيني مي¬شود. مقايسه ميزان زاويه چرخش در دو ميكروتيرك¬ كاهش نسبت 1 به 10 زاويه چرخش در مدل غيركلاسيك نسبت به مدل كلاسيك را نشان مي¬دهد. در ادامه با مدلسازي نانومنيپوليشن انواع آلوتروپ¬هاي كربني، مانند نانولوله¬هاي كربني و فلورن¬ها، اثرات هندسي در نيروي نانومنيپوليشن و تغيير شكل¬هاي ايجاد شده در اين نانوذرات بررسي گرديده است. نتايج نشان داد عمق نفوذ ايجاد شده در روي بستر بوسيله نانوذره با شكل هندسه كره حدود 2 برابر نانوذره با شكل استوانه¬اي مي¬باشد. بر همين اساس در نانومنيپوليشن نانوذره با شكل هندسه كروي نيروي نانومنيپوليشن حدود 5.5 برابر در نانومنيپوليشن نانوذره با شكل استوانه¬اي مي-باشد. در بخش بعد، با ارائه پيشنهاد استفاده از حامل براي كاهش تخريب نانوذرات زيستي در حين نانومنيپوليشن، نانومنيپوليشن نانوذره زيستي DNA بر روي بسترهاي طلا، گرافن و سيليكوني در حالتي كه محفوظ در داخل يك حامل نانولوله كربني باشد مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج نيرو نشان داد بطور كلي با استفاده از حامل، نيروي نانومنيپوليشن به شدت كاهش مي¬يابد. كاهش نيرو در بستر طلا حدود 75%، گرافن 50% و در روي بستر سيليكوني حدود 80% مي¬باشد. در نهايت با مدلسازي جريان مايع بر روي ميكروتيرك در ميدان ماكرو با استفاده از معادلات ناوير-استوكس بصورت جريان خزشي و كوئت و همچنين بهره¬گيري از مدل درشت‌مولكول براي مدلسازي مولكول¬هاي آب در ميدان نانو، اثرات مايع و رطوبت در نانومنيپوليشن ارزيابي گرديده است. مقايسه نيروي نانومنيپوليشن در نسبت¬هاي مختلف رطوبت نشان داد، با افزايش درصد رطوبت نيروي ميانگين نانومنيپوليشن كاهش مي¬يابد. نيروي نانومنيپوليشن در رطوبت 0% و 100% به ترتيب داراي مقدار ماكزيمم و مينيمم مي¬باشد. نسبت نيرو در حالت رطوبت 0% به 100% حدود 6 برابر مي¬باشد.

1396/04/26

1/1/1900 12:00:00 AM

Atomic Force Microscope (AFM) has several applications such as topography and nanomanipulation (including cutting, stretching, movement and indentation). To accurately model the dynamical behavior of AFM, properties and components of AFM must appropriately be identified. Dimensions of the system as well as range of particle scale are significant parameters affecting the AFM performance. AFM is used to manipulate the particles which are in the range of micro or nano. In this thesis, the nanomanipulation of nanoparticles by using AFM is modeled with an improved approach. The dimensions of main AFM components, e.g. cantilever and tip, and target particles, are in micro and nano scales. Because of the difference between component scales, each part should be modeled employing an appropriate method. The appropriate approach for modeling of micro structures is continuum mechanics. However, since nanostructures are composed of discrete atoms, suitable method for modeling of these structures is molecular dynamic. Therefore, applicable solution for modeling this kind of structures is to utilize multi-scale approaches. Furthermore, since the AFM components are in micro scale, theories of the non-classical continuum mechanics must be used for more accurate modeling. Consequently, a three-dimensional multi-scale method based on the modified couple stress theory for modeling of nanomanipulation process is presented in this thesis. First, the nanomanipulation structure is divide into two parts; Macro-Field (MF) and Nano-Field (NF). Then, the governing equations of cantilever (as the most significant part of MF) are derived using the modified coupled stress theory and the Kirchhoff plate model. By considering the effect of applied voltage on the frequency, the result shows the non-classical critical voltage (i.e. the voltage in which the natural frequency approaches to zero) is larger than the classical one in each thickness. Moreover, the NF (including the nanoparticle and its surrounding area that is in nano scale which are modeled using the molecular dynamics equations) and MF are then combined employing the multi-scale algorithm. After validating the model, Rectangular and dagger cantilevers are taken into account to obtain nanomanipulation results. The influence of two types of tip on the nanomanipulation results is also investigated. The obtained results show that the deformations of the AFM components in non-classic models are less than the one in the classical model. A comparison between rotation angle of nonclasscial and classical model in two microcantilever shows a reduction proportion of 1 to 10 in rotating angle. Using this model and considering the effect of size and shape, the nanomanipulation of carbon allotropes such as CTNs and fullerenes is carried out. The result shows the indentation depth which is created by spherical nanoparticle is about two times greater than the cylindrical nanoparticle and the nanomanipulation force of spherical geometry is about 5.5 times greater than cylindrical nanoparticle. In nanomanipulation, a nondestructive and successful process can be achieved by using nanocarrier. To achieve a nondestructive nanomanipulation process, carbon nanotube (CNT) is used as a nanocarrier. A set of nanomanipulations is performed for the free ssDNA and the ssDNA inside the nanocarrier on the golden, graphene and silicon substrates. The obtained results show that using the nanocarrier reduces the nanomanipulation force considerably. Force reduction is 75% for golden substrate, 50% for graphene and 80% for silicon substrate. Finally, to investigate the nanomanipulation in various environmental conditions such as a vacuum, aqueous and humid ambient, the fluid flow in the MF is assumed as the Couette and Creeping flows. The Electro-Based (ELBA) model, as a coarse grained model, is considered to model the ambient condition in the NF. The nanoparticle under the different conditions such as submerged, vacuum and various humidity is taken into account to study the nanomanipulation. The comparison of nanomanipulation force in different humidity percentages shows that the nanomanipulation force decreases as the humidity increases. The maximum nanomanipulation force occures in 0% humidity and the minimum nanomanipulation force occures in 100% humidity. The nanomanipulation force ratio in zero pecent humidity to 100% humidity is 6.