چكيده
چكيده
اين پايان نامه به بررسي و تحليل ديناميكي ميكروسكوپ نيروي اتمي در مود ضربه اي در شرايط محيطي هوا و مايع مي پردازد. ميكروسكوپ نيروي اتمي به عنوان ابزاري قدرتمند و نوين در زمينه عكسبرداري از سطوح، تعيين مشخصات مكانيكي مواد و جابجايي ذرات در مقياس نانو شناخته مي شود. در مود ضربه اي اين سيستم، يك ميكروكانتيلور پيزوالكتريك با ارتعاش خود مدام به سطح نمونه ضربه مي زند و سيستم كنترلي فاصله آن را از سطح از طريق حس كردن دامنه ارتعاشي ثابت نگه مي دارد. مود ضربه اي به دليل كاهش آسيب به نمونه مورد توجه است. در ميكروسكوپ نيروي اتمي شناخت از دنياي نانو توسط اندازه گيري مشخصه هاي فيزيكي تغيير يافته حاصل مي شود، بنابراين شناخت بهتر از وابستگي رفتار سيستم به مشخصه هاي فيزيكي محققين را قادر به تصوير برداري و اندازه گيري هاي دقيقتر در ابعاد نانو مي سازد. با پيشرفت در عرصه مواد پيزو الكتريك محققان در ميكروكانتيلور ميكروسكوپ از لايه پيزوالكتريك استفاده كرده و نسل جديدي از اين ميكروسكوپ را ارائه دادند، كه نسبت به ميكروكانتيلورهاي معمولي از سرعت و دقت بيشتري برخوردار مي باشد كه با توجه به سادگي و كم هزينه بودن آن مورد استقبال قرار گرفت.
اين پايان نامه به مدلسازي و شبيه سازي حركت ارتعاشي غيرخطي ميكروكانتيلور پيزوالكتريك در مود دامنه مي پردازد. بدين منظور از تئوري تير اويلر- برنولي جهت مدلسازي حركت ارتعاشي ميكروكانتيلور پيزوالكتريك در محيط هوا و مايع، استفاده شده است. ميكروكانتيلور با در نظر گرفتن ناپيوستگي هاي هندسي بواسطه وجود لايه پيزوالكتريك كه بين دو لايه الكترود محصور شده و همچنين تغيير سطح مقطع ميكروكانتيلور هنگام اتصال پراب به ميكروكانتيلور، مدل گرديده است. المان هاي استفاده شده بر اساس المان هاي هرميتي تيرها مي باشد. جهت مدلسازي ميكروكانتيلور از اصل هميلتون و به منظور حل معادله حركت سيستم از روش المان محدود (گلركين) بر مبناي تئوري تير اويلر- برنولي استفاده شده است. در اين راستا از الگوريتم نيومارك جهت محاسبه و حل تابع زماني استفاده شده است. كه در مقايسه با نتايج آزمايشگاهي از دقت خوبي برخوردار مي باشد. ديناميك اين سيستم تحت تأثير نيروهاي غيرخطي تداخلي بين نوك پراب و سطح نمونه مي باشد، كه براي اعمال نيرو غيرخطي در فرايند حل از روش ردي استفاده شده است.
نتايج شبيه سازي نشان مي دهند كه در محيط هوا نيرو غيرخطي بين سطح نمونه و پراب با غيرخطي كردن حركت ارتعاشي، نه تنها بر دامنه حركت بلكه باعث كاهش فركانس تشديد نيز مي شود، كه با كم شدن فاصله تعادلي ميكروكانتيلور تا سطح نمونه و در نتيجه افزايش اين نيرو انحراف فركانس تشديد از حالت طبيعي شدت مي گيرد. همچنين اين نتايج نشان مي دهد كه رفتار ميكروكانتيلور پيزوالكتريك در توپوگرافي سطح نمونه در عبور از ناهمواري ها در مودهاي نوساني بالاتر بهبود يافته و شكل دقيقتري از ناهمواري را نشان مي دهد.
در محيط مايع به دليل وجود سيال رفتار ارتعاشي سيستم تغيير مي كند. تاثير رفتار سيال بر روي ميكروكانتيلور توسط معادلات ناوير استوكس بيان مي شود. به دليل حل پيچيده اين روابط، مدل هاي ساده شده اي به صورت تئوري هاي مختلف بيان شده است. با توجه به نتايج شبيه سازي، مدل رشته كره ها از دقت خوبي براي اين نوع ميكروكانتيلور برخوردار مي باشد. نتايج شبيه سازي توپوگرافي در محيط مايع در مود ضربه اي، نشانگر كاهش تاخير زماني نسبت به محيط هوا مي باشد. علاوه بر اين با كاهش فاصله ميكروكانتيلور تا سطح نمونه، بدليل شدت گرفتن نيروي فشردگي سيال، دامنه حركت ارتعاشي كاهش مي يابد. همچنين حساسيت حركت ارتعاشي ميكروكانتيلور زاويه دار نسبت به نيروي فشردگي به علت كاهش مقدار اين نيرو كاهش مي يابد. علاوه بر اين افزايش طول پراب، كاهش نيروي فشردگي را به همراه دارد، كه اين امر در افزايش دامنه حركت ارتعاشي تاثير گذار مي باشد.
واژه‌هاي كليدي: ميكروسكوپ نيروي اتمي، ميكروكانتيلور پيزوالكتريك، مود دامنه، توپوگرافي سطح، مويينگي، محيط مايع
