ارتعاشات خمشی تیر یکسرگیردار میکروسکوپ نیروی اتمی و تأثیر پارامترهای ابعادی بر آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد

2 کارشناس ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد

3 دانشجوی دکترا، دانشگاه صنعتی توکیو، آزمایشگاه هوش مصنوعی و ابزار دقیق

چکیده

میکروسکوپ نیروی اتمی (Atomic Force Microscope) یا به اختصار AFM، ابزاری قدرتمند و ضروری در نانوتکنولوژی است که برای مطالعه، تصویر­برداری و شناسایی مواد مختلف با تفکیک اتمی بکار می­رود و در سه مد تماسی، غیر تماسی و کوبشی کار می­کند. در این مقاله ارتعاشات خمشی تیر یکسر­گیردار مورد استفاده در این دستگاه که در مد غیر تماسی نمونه هایی با سختی سطح متفاوت را اسکن می­کند بررسی می­شود. یافتن فرکانسهای طبیعی تیر و تحلیل فرکانسی مجموعه مرتعش، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است و طیف وسیعی از تحقیقات به آن می­پردازد. در این مقاله ابتدا معادلات ارتعاش عرضی تیر با در نظر گرفتن جرم و ممان اینرسی جرمی تیپ (Tip) انتهای آن که قبلاً از آن صرفنظر شده است به روش تحلیلی دقیق و با استفاده از تئوری تیر اولر - برنولی استخراج شده است. سپس میزان تفاوت نتایج حاصل از معادلات محققین قبلی با معادلات اخیر در مطالعه موردی بررسی شده است. نتایج حاصل نشان می­دهد که اثر تیپ بسته به ابعاد آن، قابل ملاحظه بوده و بایستی برای رسیدن به تصویربرداری دقیق تر نمونه ها در هنگام طراحی منطق عملکردی دستگاه در نظر گرفته شود. در انتها میزان تأثیر زاویه تمایل تیر نسبت به سطح و ارتفاع تیپ برفرکانس های تشدید مجموعه بررسی می­شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Flexural Vibration of Atomic Force Microscope Cantilever with Dimensional Effects

نویسندگان [English]

  • Anoshirvan Farshidianfar 1
  • Mohammad Hadi Mahdavi 2
  • Hamid Dalir 3
چکیده [English]

Atomic Force microscope (AFM) is one of the powerful and useful tools in nanoscale science and
technologies with applications from surface characterization in material science, to the study of living
biological systems in their natural environment. AFM operate in three modes of contact, non-contact and
tapping mode. In this paper, by focusing on the development of a more comprehensive model of an AFM
micro-cantilever beam, considering the effects of mass and rotary inertia of the tip using Euler-Bernoulli
beam theory is considered. The comparison of the present results and the results of other investigators, which
has been done in case studies, generally shows a very good agreement. The results show that the effect of
mass and rotary inertia of the tip depending on its dimensions is important and should be considered. Finally,
the effects of cantilever inclination and tip height on the resonance frequencies are also examined.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Non-contact AFM – Frequency Analysis – Mass and Rotary Inertia of Tip – Euler-Bernoulli Beam

مراجع

[1] Binnig G.; Quate C. F.; Gerber C.; “Atomic Force Microscope”, Phys. Rev. Lett., vol. 56, p.p. 930-933, 1986.
[2] Tortonese M.; Barrett R. C.; Quate C. F.; “Atomic Resolution with an Atomic Microscope Using Piezoresistive Detection”, Appl. Phys. Lett., Vol. 62, p.p. 834–836, 1993.
[3] Giessibl F. J.; “High-Speed Force Sensor for Force Microscopy and Profilometry Utilizing a Quartz Tuning Fork”, Appl. Phys. Lett., vol 73, p.p. 3956–3958, 1998.
[4] Rogers B.; York D.; hisman N.; Jones M.; Murray K.;.; “Tapping Mode Atomic Force Microscopy in Liquid with an Insulated Piezoelectricmicro-Actuator”, Rev. Sci. Instrum., vol. 73, p.p. 3242–3244, 2002.
[5] Lin S.; Chen J. L.; Huang. L. S; Lin H. W.; “Measurements of the Forces in Protein Interactions with Atomic Force Microscopy”, J. Current Proteomics, vol. 2, p.p. 55-81, 2005.
[6] Bradbury S.; Bracegirdle B.; Introduction to Light Microscopy, Royal Microscopical Society Handbook, Number 42, Oxford Press, 1998.
[7] Hohmura K. I.; Itokazu Y.; Yoshimura S. H.; Mizuguchi G.; Masamura Y.; Takeyasu K.; Shiomi Y.; Tsurimoto T.; “Atomic Force Microscopy with Carbon Nanotube Probe Resolves the Subunit Organization of Protein Complexes”, J. of Electron Microscopy, vol. 74, p.p. 4061-4068, 2000.
[8] Colton R. J.; “Nanoscale Measurement and Manipulation”, J. Vac. Sci. Technol. B, vol. 22, p.p. 1-11, 2004.
[9] Jalili N.; Dadfarnia M.; Dawson D. M.; “A Fresh Insight into the Microcantilever-sample Interaction Problem in Non-contact Atomic Force Microscopy”, ASME J. Dyn. Syst., Meas.,Control., vol. 126, p.p. 327-335, 2004.
[10] Turner J. A.; Hirsekorn S.; Rabe U; Arnold W.; “High-Frequency of Atomic-force Microscope Cantilevers”, J. Appl. Phys., vol. 82, p.p. 967-979, 1997.
[11] Turner J. A.; Wiehn J. S.; “Sensitivity of Flexural and Torsional Vibration Modes of Atomic Force Microscope Cantilevers to Surface Stiffness Variations”, J. Nanotechnology, vol. 12, p.p. 322-330, 2001.
[12] Chang W. J.; “Sensitivity of Vibration Modes of Atomic Force Microscope Cantilevers in Continuous Surface Contact”, Nanotechnology, vol. 13, p.p. 510-514, 2002.
[13] Rabe U.; Turner J. A.; and Arnold W.; “Analysis of the Frequency Response of Atomic Force Microscope Cantilevers”, J. Appl. Phys. A, vol. 66,p.p. 277–282, 1998.
[14] Mahdavi M. H.; Farshidianfar A.; Dalir H.; “High Frequency Analysis of a Non-contact Atomic Force Microscopy Microcantilever”, Proc. of Int. Conf. on Mechanical Engineering Conference, Isfahan, Iran, 2006.
[15] Stokey W. F.; Vibration of Systems Having Distributed Mass and Elasticity, in Shock and Vibration Handbook, 5th Edition. by Harris C. M. and Piersol A. G.; McGraw-Hill, 2002.
[16]وبسایت محصولات شرکت سازنده:
www.veeco.com

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار